變風量空調典型艙室氣流組織數值模擬

李培銘，沈恒，曹輝

（1.海軍裝備部，北京 100071； 2.中船重工集團第704研究所，上海 200031）

0 引言

隨著現代艦船功能多樣化、復雜化、大型化、遠洋化的深入發展，大型艦船內部設備眾多、人員眾多，是一個典型的復雜人-機-環系統，船員在這種復雜的環境下工作和生活，生活單調、工作壓力大，易造成不適、精神不振、失眠等生理問題，因此艙室內部居住環境的進一步改善，是關系艦員身體健康和戰斗力的重要因素之一。

變風量空調系統已經成為現代艦船空調系統發展趨勢，由于變風量空調在運行時風量不斷改變，艙室氣流組織也發生較大變化，會偏離額定設計狀態，使得艙室的氣流分布造成很大的不確定性。在變風量空調系統中，風量變化導致風口送風特性的改變，這種改變通常要求送風口保持射程、氣流速度、貼附效應和氣流運動來得到補償。然而，很多實例表明，大量的風口產品樣本缺少在流量減少工況下的性能參數，給設計帶來很多困難，常規的按照額定風量進行選型設計的方法，使得變風量系統在部分負荷工況下，送風速度減小，射流受到“浮升力”或是“下墜力”的影響，“冷風下墜”和“熱風上浮”問題十分嚴重，導致局部不合理的溫度、速度分布，對人體熱舒適感覺影響很大。

文章以提高艦船居住艙室熱舒適性為目標，并為變風量空調在艦船上應用提供指導，采用CFD軟件對變風量空調艙室的氣流組織進行模擬分析，選取三種典型居住艙艙室作為氣流組織數值模擬對象，模擬變風量兩種極限工況下的艙室氣流組織，采用GB50736標準（GB50736標準V<0.25m/s）評價艙室氣流組織。

圖1 三種典型艙室物理模型

1 艙室物理模型與送風方式

三種典型艙室送風方式均采用貼頂平板射流上送風方式，回風方式為下回風方式。圖1為三種典型艙室物理模型：套房艙室、兩人艙室和四人艙室。

套房艙室房間模型尺寸為7.62m×4.3m×2.1m，分為辦公室和臥室。套房辦公室包含兩個圓形頂送風裝置、兩個回風裝置和辦公桌椅等；套房臥室包含一個頂送風裝置、通向洗手間的回風格柵、床和柜子等；辦公室最大送風量為550m3/h、最小送風量為275m3/h；臥室最大送風量為130m3/h、最小送風量為85m3/h，艙室模型如圖1(a)所示。

兩人艙室房間模型尺寸為4.35m×4.35m×2.1m，艙室包含一個圓形頂送風裝置、一個通向洗手間的回風格柵和布置門上的回風格柵、辦公桌椅、床和柜子等。兩人艙室最大送風量為300m3/h、最小送風量120m3/h，艙室模型如圖1(b)所示。

四人艙室房間模型尺寸為4.35m×4.35m×2.1m，艙室包含兩個圓形頂送風裝置、一個通向洗手間的回風格柵和布置門上的回風格柵、辦公桌椅、床和柜子等。四人艙室最大送風量為450m3/h、最小送風量240m3/h，艙室模型如圖1(c)所示。

2 艙室數學模型與邊界條件

空調室內的氣流基本都是湍流，故文章采用湍流模型對室內氣流組織的三維不可壓縮湍流流動進行數值模擬。嚴格的講，空調室內的氣流運動都是非穩態的，對于變風量空調更是如此，然而我們最關心的是變風量空調室內在每一種工況下達到穩定狀態后的氣流組織，為了簡化問題，假設在每種工況穩定后，氣流做定常流動。文章假設流體為不可壓縮流體，采用標準湍流流體模型計算。艙室內氣體假設不可壓縮氣體且符合Boussinesp假設。艙室空氣流動屬于有限大空間紊流類型，因此采用工程實際中應用最廣泛的k-ε雙方程模型進行求解。對于不可壓流動，笛卡爾坐標系下的湍流控制方程如下：

式(1)～(5)中：ρ是空氣密度，t是時間，u、v和w分別是速度矢量在x、y和z方向上的分量，p是流體微元體上的壓力；τxy、τxx和τxz等是因分子粘性作用而產生的作用在微元體表面上的粘性應力τ的分量；Fx、Fy和Fz是微元體上的體積力，若體積力只有重力，且z軸豎直向上，則Fx=0，Fy=0，Fz=--ρg，Cp是比熱容，T是溫度，k為流體的傳熱系數，ST為流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分。

圖2 最大風量套房艙室不同截面速度的分布圖

圖3 最大風量兩人艙室不同截面速度的分布圖

圖4 最大風量四人艙室不同截面速度的分布圖

圖5 最小風量套房艙室不同截面速度分布圖

圖6 最小風量兩人艙室不同截面速度分布圖

圖7 最小風量四人艙室不同截面速度分布圖

艙室物理模型送風口邊界條件均定義為速度入口，設置各送風口的速度和溫度。由于k、ε難以測量和計算，此處可采用紊流強度與特性尺寸來定義紊流，鑒于入口處雷諾數較小，紊流強度設為2%，水力直徑計算為200mm。回風口定義為壓力出口邊界條件，設置壓強為大氣壓力，采用紊流強度與特性尺寸來定義紊流，鑒于出口處雷諾數較大，紊流強度設為5%，水力直徑計算為300mm。

艙室四壁及地面均定義為對流熱傳導的熱邊界條件，圍護結構內外表面傳熱系數為αw=37.5764W/(m2?℃)。艙室隔熱材料為聚氨酯泡沫塑料，其導熱系數λ=0.022W/(m?℃)，隔熱層厚度δ=120mm。

3 數值計算分析

本節給出最大風量工況和最小風量工況下三種典型艙室室內氣流模擬結果，并分析三種典型艙室內的相關參數能否滿足艦船居住環境的舒適性要求。

圖2～4所示分別為最大風量工況下套房艙室、兩人艙室和四人艙室室內不同截面內的速度分布情況；圖5～7所示分別為最小風量工況下的三種典型艙室室內的速度分布圖。

三種典型艙室采用上側送、異側下回氣流組織時，送出的空調風緊貼天花板流動。由于出風速度較高，誘導出風口附近的空氣隨著流動，這樣整個空調氣流層較厚，并且靠近鋪板處的氣流速度衰減較快，但是上鋪由于距離頂部較近，該區域內的風速比較大，入射氣流隨著射程增加速度逐漸下降，溫度逐漸升高，部分空氣在重力作用下向下流動，大部分空氣到達對面艙壁后由于艙壁的阻礙作用沿艙壁下移到達到排風口后產生分流，大部分氣體直接排出艙外，小部分沿地面回流到艙內。

在最大風量工況下，由于套房艙室和兩人艙室的床鋪距離頂部較遠，艙室上鋪人體的吹風感不強，舒適性較好，頂部區域內的風速比較大。套房艙室辦公處氣流沿頂部向四周射出，氣體再沿壁面下墜，工作區域氣流速度在0.25m/s以下，冷氣流的吹風對人體無影響。兩人艙室在鋪板之間的走道處氣流下墜比較明顯，在人員走動的空間范圍內，氣流速度在0.25m/s以下，冷氣流的吹風對人體無影響。

四人艙室下鋪人體的吹風感不強，由于上鋪距離頂部較近，該區域內的風速比較大，在上鋪板處接近0.3m/s，下鋪的風速均在0.1m/s，上鋪人員會有明顯的吹風感，舒適性比中、下鋪差。在鋪板之間的走道處氣流沿壁面下墜，在人員走動的空間范圍內，氣流速度在0.25m/s以下，冷氣流的吹風對人體無影響。

在最小風量工況下，由于各個艙室送風量均比最大風量工況下要小，所以人體活動區內的氣流速度均小于0.2m/s。

以上分析可知，不同工況下套房艙室、兩人艙室和四人艙室氣流組織分布，人體活動區域內的速度值小于0.25m/s，符合室內送風標準和人體舒適性的要求。

4 結論

套房艙室、兩人艙室和四人艙室在最大風量工況下和最小風量工況下，送風裝置送風速度分布為平行頂部而且向四周射流的速度分布，艙室內頂部區域內的速度偏大，但艙室內頂部區域非人體活動區域，不會影響到人體活動區域的速度分布，人體活動區域內的速度值小于0.25m/s，滿足相關艙室氣流組織舒適性要求，為變風量空調艙室氣流設計提供了依據。

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