2022, Vol. 44
2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082
2. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China
大型邮轮通常舱室众多，人员密集，而为了保持船舶水密、气密等性能，同时为了满足布置上的需要，很多人员住舱往往不能与外界大气通过开窗的方式进行自然通风。大型邮轮的乘客居住舱室环境存在特殊性：与外界环境独立，密闭性高；空间狭小，结构复杂；居住人员密度大，舱室温度湿度负荷高，室内空气品质较差；大部分舱室不具备自然通风条件，主要依靠空调系统通风。同时，大型邮轮在海上的整个航行周期内，密闭空间内生活、居住的乘客将长时间暴露在舱室环境的各类污染物中，而舱室内的气流分布性能是影响污染物传播的最重要因素[1]。2020年初，新型冠状病毒全球大爆发，“钻石公主”号大型邮轮乘员住舱内发生乘客集体感染事件且不断扩散。此类事件在随后的大型邮轮住舱中出现过多起，给全世界邮轮通风空调系统、乘员住舱设计者敲响了警钟。因此，舱室内良好的气流组织，不仅能提高乘客的舒适性，而且能提高舱室空气品质。在当前提倡绿色节能的大背景下，良好的气流组织能提高空调系统效能。因此，舱室气流组织研究有着重要的实际意义。
舱室气流分布和污染物传播研究主要有2种方法：运用计算机进行仿真数值模拟方法和搭建实体舱室进行物理模型实验方法。物理模型实验方法更直接，但是需要耗费大量的时间和资金。相比之下，数值模拟方法是一种更高效便利的方法，能够在较短时间内获得更详细的数据，但需要实验数据来验证计算模型。计算流体动力学（CFD）方法在室内环境的研究起源于20世纪80年代，现已广泛应用于各行业密闭舱室气流组织舒适性研究，以及污染物在密闭空间内的传播规律研究[2-3]。Wan，Yan和Zhang等[4-6]利用CFD方法有效地预测了商用飞机客舱内污染物的传播，并且计算结果与实验结果较一致。Zhang等[7]实验研究中采用的DEHS颗粒物为对象进行模拟，其密度912 kg/m3，粒径尺寸为0.7 µm，颗粒总发射率为7.0×10−5 m/s，得到了较好的结果。Bivolarova等[8]研究了如何改善病房内病人周围气流组织性能的措施，研究发现通过在病床上集成局部排气通风系统可以取得较好效果。He等[9]模拟了不同通风模式和布局方式下典型办公室内人员打喷嚏呼出微小液珠的传播扩散特性。
本文基于CFD方法，针对大型邮轮典型4人舱室4种典型气流组织形式进行数值模拟，对比4种气流形式下的气流性能，并且进行不同气流组织下人员咳嗽产生液滴的传播规律研究。本文的研究能够改善邮轮典型舱室内的空气环境，并减小舱内其他人员感染病毒的概率，为邮轮通风空调系统设计提供依据。
1 计算方法及验证 1.1 计算方法计算流体力学方法是运用计算流体力学有限差分法，将船舶舱室划分为小的控制体，通过连续性方程、动量方程、能量方程建立描述室内空气流动、传热和污染物产生与扩散的过程，然后结合实际流体运动的初始条件、边界条件将偏微分方程转换为差分方程，实现偏微分方程的离散化并进行利用计算机进行数值求解，从而得到房间各个位置的气流组织性能和污染物浓度等参数[10]。
1.1.1 数学模型控制方程通用偏微分形式如下式：
| $ \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho \varphi } \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {\rho {u_j}\varphi } \right) = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{\varGamma _\varphi }\frac{{\partial \varphi }}{{\partial {x_j}}}} \right) + {S_\varphi } 。$ | (1) |
式中：
|
表 1 公式中参数值 Tab.1 Parameter values in the formula |
表中：
本文采用商用流体力学计算软件Fluent进行建模求解，求解设置需遵循如下基本假设及边界条件设定：1）通过设定舱壁总传热系数和外界环境温度的方式来模拟舱壁传热；2）利用恒定热流密度模拟人员和设备热量均布在结构表面；3）空气流体为不可压缩且符合布辛尼斯克（Boussinesq）近似，流体密度影响舱室空气的浮升力。
1.1.3 软件设置湍流方程选用RNG k-ε方程，采用耦合算法，动量方程和湍流方程求解采用2阶迎风格式。
1.2 计算方法验证选择Yuan[11]对一小型办公室的气流分布、空气温度和示踪气体浓度的实验测量结果进行对比，以验证本文采取的数值模拟方法（ RNG k-
|
图 1 房间物理模型 Fig. 1 Room physical model |
图2给出了房间中央气流速度、空气温度及示踪气体浓度的实验测量值与CFD计算值。由于测量传感器存在误差，速度传感器偏差0.01 m/s，温度传感器偏差0.3℃，示踪气体浓度传感器偏差10%。因此，从图中结果可以看出，CFD计算结果与实验测量结果吻合度较好，示踪气体浓度有一定偏差，但仍体现出了气体浓度在高度上的分层。
|
图 2 实验测量值与CFD计算值对比（圆圈表示实验测量值） Fig. 2 Comparison between experimental value and CFD value (circle indicates experimental value) |
图3为本文研究的大型邮轮典型舱室（4人舱），该住舱长4.5 m，宽2.7 m，高2.25 m。房间内有4个床铺、1个柜子和1个桌子，4个乘客躺在床上，顶部有2个灯。根据舱室结构特点，气流组织形式选择上送下回（格栅送风）、上送上回（散流器送风）、侧送侧回（条缝送风）、下送上回（置换通风口）4种典型形式，示意图见图4。表2为计算工况设置参数，中前3种方案为混合通风，后2种方案为置换通风，方案5与方案4气流组织形式相同，风量减小。舱内总散热量约为500 W，主要集中在首部和中部。根据相关参考资料，夏季外界环境温度35℃，舱内设计温度为26 ℃，送风量为200 m3/h，送风温度为17 ℃。舱壁考虑铺设隔热层，舱壁总传热系数取1.5 W/(m2K)[12]。
|
图 3 几何模型示意图 Fig. 3 Schematic diagram of geometric model |
|
图 4 气流组织形式示意图 Fig. 4 Schematic diagram of air distribution |
|
|
表 2 工况设置 Tab.2 Setting of working conditions |
网格划分采用适应性强的非结构网格，边界层采用壁面函数法，综合网格质量和计算效率，经网格独立性检验，网格单元数约为150万具有较好的精度，送回风口等位置局部区域网格进行加密处理。
2.2 人员咳嗽边界条件人员咳嗽中带有大量的病毒，液珠在空气中的扩散属于气液两相流问题。本文采用欧拉模型模拟人员咳嗽出的液滴的扩散过程，忽略人体鼻腔产生的周期性小射流。对比方案2和方案4气流组织形式下人员咳嗽对其他乘员的影响以及清除效果。同时，在方案2的基础上于人员床铺位置增加局部排风口，形成方案6。根据Gupta[13]的研究，人员的嘴巴面积为4 cm2（可简化为2 cm×2 cm方形），咳嗽的角度与人员嘴巴法向方向呈30°，持续时间约0.4 s，速度通过用户自定义函数（UDF）设定，咳嗽出的液滴温度为33℃。一次咳嗽出液滴数量约为106个，直径1 µm，体积约为0.69 L。本文咳嗽的人员为上铺人员1（见图3），监测人员2、人员3和人员4头部附近液滴浓度。
|
图 5 人员1咳嗽的角度 Fig. 5 Angle of cough of person 1 |
|
图 6 咳嗽的速度曲线 Fig. 6 Velocity curve of cough |
采用空气分布特性指标（ADPI）进行舱内气流分布性能评价[14]。ADPI是通过满足规定风速和温度要求的监测点个数与总监测点个数的比值来衡量。式（2）为有效温度与室内风速的关系：
| $ \Delta ET = \left( {{t_i} - {t_N}} \right) - 7.66\left( {{{\rm{u}}_{\rm{i}}} - 0.15} \right)。$ | (2) |
式中：
当为−1.7～+1.1大多数人感到舒适。空气特性分布指标（ADPI）如下式：
| $ ADPI=\frac{-1.7\leqslant \Delta ET\leqslant +1.1的测点数}{总测点数}\times 100\text{%} 。$ | (3) |
不均匀系数主要是考虑对空气的流动速度和温度不均匀性的修正。
能量利用系数γ是用来考察气流分布方式的能量利用有效性，反映的是船舶舱室的温度梯度，如下式：
| $ \gamma = \frac{{\left( {{t_{{p}}} - {t_0}} \right)}}{{\left( {{t_{{n}}} - {t_0}} \right)}}。$ | (4) |
式中：tp为排风温度，℃；tn为工作区空气平均温度，℃；t0为送风温度，℃。
4 气流性能结果分析首先给出4种气流形式下舱室模拟结果的主要参数对比，然后给出不同截面的温度分布，从整体角度对4种形式进行对比。最后，为更详细地比较方案的优劣，给出分层测点结果比较。测点选取分别距地面0.2 m（底部）、0.9 m（一层床铺人员）、1.5 m（二层床铺人员）等处。
4.1 主要参数结果分析表3为4种气流组织方案室内空气主要参数结果。从主要参数平均温度结果来看，方案3温度较高，而方案5温度较低。对比混合送风方案，方案1和方案2的计算结果较为接近，方案2温度和空气速度分布更为均匀，方案2的能量利用系数大于1，较为节能。而方案3从空气温度和能量利用系数看来，气流性能相对方案1和方案2较差，从速度不均匀系数可以看出气流分布相对不均匀。方案4和方案5的能量利用系数均较高，方案4和方案5分别在较高的送风温度和较小的风量下得到了较低的房间空气平均温度。但其温度不均匀系数较大，说明其温度分布较不均匀，这也导致了ADPI偏低。从ADPI指标来看，方案2气流性能较好，从能量利用系数来看，置换通风较优。
|
|
表 3 主要结果参数对比 Tab.3 Comparison of main result parameters |
图7为4种方案各个截面（Y=1.35 m，Z=0.2 m，Z=0.9 m，Z=1.5 m）的温度分布结果。从全局温度分布结果可以看出，方案1和方案2温度分布较为均匀，方案1在房间较高的位置温度较低，人员站立时头上部位置会有局部吹风感，方案3存在局部区域温度较高的情况，而方案4则出现了明显的温度分层，房间下部温度低于上部温度，上下温差高于5℃，这符合置换通风的特点。图8为5种方案房间中央垂直和水平测点的温度分布结果。从中可以看出，方案2和方案3在垂直方向和水平方向温度较平稳。方案4和方案5在垂直高度方向温度有明显的分层，温差达到5℃以上。
|
图 7 四种方案各截面温度分布（单位：K） Fig. 7 Temperature distribution at each section of the four schemes (unit: K) |
|
图 8 不同高度和水平位置测点温度对比 Fig. 8 Temperature comparison of measuring points at different heights and horizontal positions |
根据上文的结果，方案2的气流性能较好，方案4的能量利用系数较高。进行方案2和方案4气流组织形式下人员1进行一次咳嗽后液滴在舱室内的传播模拟，分析人员2、人员3和人员4呼吸区域内液滴的传播情况。为了加快清除的速度，风量均提高至300 m3/h。同时，由于新冠病毒的全球流行，对邮轮舱室提出了新的要求。参照负压病房通风系统，邮轮舱室可以设计一套负压通风系统，在特殊时期将部分舱室转为负压舱室，作为隔离病房使用。因此，不仅对比了典型气流组织下污染物传播规律，还对比了负压舱室不同负压下污染物的传播及清除规律。负压的设置不同机构的参考值不同，通常情况下，负压病房与外界压力差为−10～−1 Pa。负压舱室气流组织一般设置1个或2个主送风口（下送风），1个出风口，出风口风量大于送风口，其余风量通过门缝进风。根据洁净室漏风量计算方法，计算主送风口和出风口的风量差约50～100 m3/h，送风口风量为200 m3/h，出风口风量为300 m3/h。经计算，舱室压力约为−2 Pa，记为方案7。
图9为115 s时各个方案下人员2、人员3和人员4（从左至右）头部上方区域液滴的浓度。可以看出，从整体来看，方案4的液滴浓度最低，其次为方案7，方案2的液滴浓度最高，方案2气流形式下人员感染病毒的概率最高。对比方案2三个人员的结果，可以看出另一侧上铺人员附近液滴浓度最高，另一侧下铺人员附近液滴浓度最低。而方案4的液滴分布规律与方案2相似，另一侧上铺人员附近液滴浓度最高，但同侧下铺人员附近浓度最低。对比方案6和方案2的结果，增加局部排风后，各人员头部附近的液滴浓度均有所下降，人员2和人员4体现较为明显，但液滴浓度仍大于方案4。方案7则同侧下铺人员附近液滴浓度最高，另外一侧人员附近液滴浓度较低，但相差不大。这说明气流组织形式对液滴传播的影响较大，人员1咳嗽出的液滴受通风主气流的影响，呈现出不同的走向。图10为方案4人员1咳嗽后3 min过程中，液滴在舱内的传播情况。从中可以看出，液滴首先集中在舱室右上方，然后部分液滴随着置换通风主流通过上部排风口排除舱外，剩余部分液滴逐步扩散至舱室。同时也可以看出，液滴主要集中在上部区域，这也与图7的结果相吻合。
|
图 9 人员头部上方液滴的浓度（115s） Fig. 9 Concentration of droplets above the head of a person (115s) |
|
图 10 方案4不同时刻舱内液滴的传播情况（浓度5E-13） Fig. 10 Droplet propagation in The chamber at different times of Scheme 4 (concentration 5E-13) |
本文首先选取文献中对一小型办公室的气流分布、空气温度和示踪气体浓度的实验测量结果进行对比，验证了本文采取数值模拟方法的准确性。RNG k-
选取邮轮典型4人舱室进行4种典型气流组织形式下数值模拟，研究表明：从空气特性分布指标（ADPI）和温度、速度不均匀系数来看，散流器上送上回的气流形式气流性能较好，ADPI接近90%。从能量利用系数来看，下送上回的置换通风模式能量利用系数较高，但由于舱内温度分层，导致ADPI指标偏低。
人员进行一次咳嗽后液滴传播模拟结果表明：采取置换通风的方式时，人员感染病毒的概率最低，而采取散流器混合送风时，人员感染病毒的概率最高；采取局部排风方式能够降低人员呼吸区域内液滴浓度，但仍高于置换通风模式；气流组织对液滴传播的影响较大，不同气流组织下，不同人员头部液滴浓度呈现出不同的趋势，其感染病毒的概率有所不同，采取混合通风和负压舱室通风模式时同侧人员感染病毒概率较大，而采取置换通风模式时异侧上铺人员感染概率较大。
| [1] |
周爱民, 余涛, 沈旭东. 船舶污染物传播研究进展[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(1): 10-15. ZHOU Ai-min, YU Tao, SHEN Xu-dong. Research advances on air contaminant transport in ship cabin[J]. Ship Science and Technology, 2014, 36(1): 10-15. DOI:10.3404/j.issn.1672-7649.2014.01.002 |
| [2] |
李先庭, 赵彬. 室内空气流动数值模拟[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008.
|
| [3] |
鹿世化, 黄虎, 李奇贺. 数值模拟勇于室内空气质量控制的研究进展[J]. 暖通空调, 2007, 37(5): 40-46. LIAO Shi-hua,HUANG Hu,LI Qi-he. Study progress in numerical simulation applied to control of indoor air quality[J]. Journal of HVAC, 2007, 37(5): 40-46. DOI:10.3969/j.issn.1002-8501.2007.05.008 |
| [4] |
WAN M p, SZE T, G N, CHAO C Y H, et al. Modeling the fate of expiratory aerosols and the associated infection risk in an aircraft cabin environment[J]. Aerosol. Science. Technology. , 43(4), 322−343.
|
| [5] |
YAN W, ZHANG Y, SUN Y, et al. Experimental and CFD study of unsteady airborne pollutant transport within an aircraft cabin mock-up[J]. Build. Environ., 2009, 44(1), 34−43.
|
| [6] |
ZHANG Z, CHEN X, MAZUMDAR S, et al. Experimental and numerical investigation of airflow and numerical investigation of airflow and contaminant transport in an airliner cabin mockup[J]. Build Environ, 2009, 44(1), 85−94.
|
| [7] |
ZHANG Z, CHEN Q. Experimental measurements and numerical simulations of particle transport and distribution in ventilated rooms[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40(18).
|
| [8] |
BIVOLAROVA M P, MELIKOV A K, MIZUTANI C, et al. Bed-integrated local exhaust ventilation system combined with local air cleaning for improved IAQ in hospital patient rooms. Building and Environment. 2016, 100: 10−18.
|
| [9] |
HE Q B, NIU J L, GAO N P, et al. CFD study of exhaled droplet transmission between occupants under different ventilation strategies in a typical office room[J] Building and Environment, 2011, 46(2): 397−408.
|
| [10] |
YUAN X, CHEN Q, GLICKSMAN L R, et al. Measurements and computations of room airflow with displacement ventilation[J]. ASHRAE Transactions, 1999, 105(1): 340-352. |
| [11] |
朱颖心. 建筑环境学(第二版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.
|
| [12] |
GB/T 13409-1992船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法[S]. GB/T 13409-1992Air-conditioning and ventilation of accommodation spaces on board ships-design parameter and method of calculations[S]. |
| [13] |
GUPTA J K, LIN C H, CHEN Q. Flow dynamics and characterization of a cough[J]. Indoor Air, 2009, 19(6): 517-525. DOI:10.1111/j.1600-0668.2009.00619.x |
| [14] |
黄翔. 空调工程(第三版)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2017.11.
|