船舶艙室置換通風系統的數值模擬和優化

陳 豪 郭 磊 華呈新

（江南造船（集團）有限責任公司 上海201913）

引 言

安全、舒適和健康的船舶艙室空氣環境是現代船舶設計和建造中的一個重要方面，船舶艙室往往具有層高較低、空間封閉和人員密集等特點，而軍用艦船、公務船和豪華客船等還對空氣環境有許多特殊要求，其空調通風系統的設計面臨著更大的挑戰。

目前船舶艙室空調通風系統布置主要采用傳統的上送風形式，利用射流運動帶動室內空氣循環，使室內空氣充分混合后再排至室外，其特點是室內溫度上下基本一致，但工作區新鮮空氣量較少。采用下送上回的置換通風系統則是利用室內熱源產生的熱對流氣流上升過程中卷吸周圍空氣，形成近似活塞流進行室內空氣的置換，具有通風效率高、空氣品質好和降低能耗等特點。置換通風系統自20世紀70年代起源于歐洲以來，研究者對其進行了許多研究，Mathisen［1］、Sandberg［2］等通過理論分析和實驗研究證明了置換通風的優點，Bauman［3］等對靜壓箱送風的室內氣流組織、空氣齡和熱力分層規律進行了研究，Kim［4］針對置換通風系統中人體周圍污染物濃度分布進行了實驗研究，馬仁民［5］等對置換通風的效率、熱力分層高度和空氣層溫升等問題進行了研究。

座椅送風屬于置換通風系統的一種具體形式，在陸地上一般應用于大型劇院和體育館等層高較高的建筑。這主要是由于置換通風在穩定狀態時，室內空氣在流態上分為上下兩個不同的區域，其分界面應控制在人員活動區域之上。因此，將座椅送風應用于層高較低的船舶艙室時，需要在設計前期就進行充分研究，以確保人員活動區域的空氣質量和熱舒適性。

1 理論和方法

流體流動遵循的控制方程用式（1）所示通用形式來表示［6］：

式中：各項依次為瞬態項、對流項、擴散項和源項，u為速度矢量；為通用變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。對于特定方程，、Γ、S的特定形式見表1。

表1 通用控制方程中各符號的具體形式

本文數值模擬采用FloEFD軟件，對湍流的處理采用基于雷諾時均方程的k-ε湍流模型，其是目前工程中使用最廣泛的湍流模型。標準k-ε湍流模型引入兩個額外的輸運方程來描述湍流動能k和耗散率ε，見式（2）與式（3）：

通過基于結構化自適應網格的有限體積法來求解雷諾時均方程，通過網格局部優化技術來適應物體邊界，采用雙尺度壁面函數模型來解決邊界層問題，空間上采用二階精度的差分格式，其中對流項采用迎風差分格式，擴散項采用中心差分格式，時間上采用隱式歐拉格式，采用類SIMPLE法求解速度壓力耦合方程。

目前熱舒適性評價方法主要是根據Fanger教授的研究成果［7］制定的國際標準ISO 7730［8］（國家標準GB/T 18049［9］），評價指標主要包括預測平均熱感覺指標（Predicted mean vote，PMV）、預計不滿意百分比（Predicted percentage dissatisfied，PPD）、吹風感（Draught rate，DR）和垂直溫差不滿意百分比（Percentage dissatisfied，PD）等。

2 船舶艙室座椅送風系統模型

座椅送風屬于置換通風的一種具體形式，因此以置換通風理論作為其設計依據。新鮮的冷空氣由房間的底部以極低的速度（＜0.3 m/s），送入低溫、低速的新鮮空氣。由于動量很低，所以對室內主導氣流影響較小，在重力作用下先是下沉，隨后慢慢擴散，在地面上形成一個“空氣湖”， 利用室內熱源產生的熱對流氣流上升過程中卷吸周圍空氣，形成近似活塞流進行室內空氣的置換。由此，新鮮的空氣便得以直接進入呼吸區。

本文研究的艙室為某船學術廳，其平面圖和側視圖如圖1所示，該學術廳整體呈階梯狀。利用階梯形地板和船體板之間的空腔作為送風靜壓箱，靜壓箱底部接入空調送風管道，每個座椅下方設置有一個座椅送風柱。由于主席臺處不方便設置地板送風，因此還設有兩個傳統的布風器作為補充，主席臺兩側門設置回風口，最后一排座椅上方設置有4個抽風格柵。

根據圖紙建立的數值計算模型如圖2所示。模型以yz平面為對稱面，室內照明包括筒燈和頂部短斜邊處延伸到墻面的門形LED燈帶。

圖1 學術廳圖紙

圖2 學術廳模型

3 數值模擬和優化

該學術廳設計條件為夏季26℃，冬季20℃。原始方案中，根據空調負荷及風量平衡計算，得到艙室送風量為3 680 m3/h，夏季送風溫度為20℃，冬季送風溫度為22℃，其中座椅送風量為3 280 m3/h。在此風量下， 每個送風柱風量為40 m3/h。故選用直徑為130 mm、高為200 mm的送風柱，圓柱面開孔率為41%，布風器風量為400 m3/h，抽風口風量為900 m3/h。邊界條件根據學術廳周圍的艙室布置參照國家標準GB/T 13409［10］進行設置。

下頁圖3和圖4分別為原始方案中夏季工況下的溫度云圖和速度云圖。

由圖3可以看出，艙室中的氣流組織具有典型的置換通風系統特征，空氣分層現象明顯，由座椅送風柱送入的空氣在重力作用下下沉并擴散，在底部形成一個溫度較低的“空氣湖”，由于層高不足、排風口設置不合理等原因，使熱對流作用形成的分界面太低，整個空間中溫度分層明顯，艙室內整體平均溫度為26.1℃，但只有中間區域保持在26℃左右，垂直方向溫度梯度過大。由圖4可以看出，主席臺附近由于屬于布風器送風，氣流速度比座椅送風區域略大，艙室內平均風速為0.087 m/s，人體周圍風速小于0.2 m/s。

圖5和圖6分別為原始方案中冬季工況下的溫度云圖和速度云圖。

由圖5可以看出，由于冬季工況下送入氣流溫度較高，由座椅送風柱送入的空氣不會因重力作用而下沉，溫度較高的空氣進入艙室內以后被快速抬升至艙室頂部，使整個艙室中溫度分布較為均勻，艙室內平均溫度為20.2℃。由圖6可以看出，冬季工況下由于熱浮升力作用使氣流速度要略大于夏季工況，艙室內平均風速為0.100 m/s，人體周圍風速小于0.2 m/s。

為進一步定量地分析置換通風系統舒適性，本文根據國際標準ISO 7730 （國家標準GB/T 18049），采用預測平均熱感覺指標PMV（-0.5＜ PMV ＜ 0.5），預計不滿意百分比 PPD（＜ 10%），吹風感DR（＜ 20%）以及垂直溫差不滿意百分比PD（＜ 10%）等指標進行評價。相關指標的計算結果見表2，夏季工況下PMV為0.48。由于表中給出的PMV是整個艙室的平均值，因此該值處于標準要求范圍之內。

圖3 原始方案夏季溫度云圖（x=2.305 m）

圖4 原始方案夏季速度云圖（x=2.305 m）

圖5 原始方案冬季溫度云圖（x=2.305 m）

圖6 原始方案冬季速度云圖（x=2.305 m）

事實上，由圖3可以看出溫度分層明顯，且滿足設計條件的區域只有中間部分。對于圖3所示溫度梯度較大的情況，已經不能簡單地用PMV來進行評價，而應該綜合分析PPD和PD等指標來評價整個艙室的熱舒適性。PPD為33.4%，不滿足要求；DR處于要求范圍之內且數值較小，說明置換通風系統具有低吹風感的特點。由于艙室內溫度分層明顯，因此PD為26.3%，已經遠超過標準要求。冬季工況下，僅PPD（12%）略大于標準要求，其余指標都滿足標準要求。

由以上計算結果及分析可知，原始方案在夏季工況下溫度梯度較大，不滿足舒適性要求，因此需進行針對性優化。優化方案中，取消最后一排座椅頂部的4個抽風格柵，并對頂部5條短斜邊的功能進行修改，將中間3條短斜邊改為回風口，最后1條短斜邊改為抽風口（如圖7所示），同時將座椅送風溫度改為23℃，布風器送風溫度改為16℃，以改善夏季工況下艙室內溫度梯度過大的情況。圖8和圖9分別為該優化方案中夏季工況下的溫度云圖和速度云圖。

由圖7可以看出，艙室中仍有空氣分層現象，但分界面明顯升高，同時由于提高了座椅送風溫度，優化方案使整個艙室中大部分區域保持在26℃左右，相比原始方案減小了垂直方向溫度梯度。雖然送風溫度提高了，但增加的回風口使氣流不會積聚在艙室頂部，此時艙室內平均溫度為26.3℃，滿足設計條件。由圖9可以看出，由于在艙室頂部增加了回風口，人體熱源產生的熱對流直接排出室外，使整個艙室中的氣流速度相比原始方案略有增加，艙室內平均風速為0.088 m/s，人體周圍風速小于0.2 m/s。

優化方案中，冬季工況送風溫度仍為22℃。圖10和圖11分別為優化方案中冬季工況下的溫度云圖和速度云圖。

圖8 優化方案夏季溫度云圖（x=2.305 m）

圖9 優化方案夏季速度云圖（x=2.305 m）

圖10 優化方案冬季溫度云圖（x=2.305 m）

圖11 優化方案冬季速度云圖（x=2.305 m）

由圖10可以看出，冬季工況下優化方案與原始方案溫度分布類似，優化方案略優于原始方案，艙室內平均溫度為19.8℃。由圖11可以看出，冬季工況下優化方案中艙室內風速略大于原始方案，艙室內平均風速為0.103 m/s，人體周圍風速小于0.2 m/s。

同樣給出優化方案中舒適性指標，計算結果如表3所示。

表3 優化方案舒適性指標

此時，無論是夏季工況還是冬季工況，各項指標都優于原始方案，僅夏季工況下吹風感略有提升，且除了PPD外同，各項指標都滿足標準要求。這是由于艙室層高限制以及置換通風系統溫度分層的特點，使艙室頂部還存在部分溫度過高的區域。此時PPD為10.6%，略大于標準要求，但總體而言，優化方案還是達到了優化艙室熱舒適性的目的，滿足了設計要求。

4 結 語

本文針對某實船艙室置換通風系統進行了數值模擬和優化研究，將優化方案和原始方案在速度、溫度和熱舒適性指標上進行了對比分析。

研究結果表明：

（1）置換通風系統具有流動分層的特點，垂直方向存在溫度梯度，送風速度低，可降低吹風感；

（2）置換通風系統中由熱對流將氣流排出，送風路徑短，保證人體周圍的空氣品質；

（3）置換通風系統可使人體周圍保持在26℃左右，熱舒適性指標符合標準要求。

后續可針對以下方面進行深入研究：

（1）針對溫度分層現象，可考慮結合冷卻吊頂等方式來消除垂直溫度梯度；

（2）針對艙室中的空氣污染物，可對置換通風系統對人體周圍污染物濃度和艙室整體污染物的去除效果進行研究；

（3）結合數值計算和實際測量結果作進一步對比分析。

通過本文的研究表明，綜合考慮速度、溫度和熱舒適性指標等要求，置換通風系統可為人員密集的船舶艙室提供良好的空氣環境。本文的研究結果可為后續船舶艙室置換通風系統的應用研究提供參考和借鑒。