基于ADPI的居住艙室空氣環境舒適性數值分析

楊 勇，王 波,黃明喜，劉金華

(1.海軍裝備部駐上海地區軍事代表局 駐上海地區第一軍事代表室，上海201913；2.上海船舶工藝研究所，上海200032；3.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引 言

居住艙室作為船員休息的主要場所，其環境直接影響船員的居住舒適性及工作效率。船上工作環境窄小，活動范圍受限，易出現疲勞、睡眠質量差和暈船等現象，這對船員居住舒適性提出了更高要求。

當前，CFD技術已成為艙室內氣流組織研究的主要手段之一。郭寶坤等[1]采用CFD技術對冬季工況下船用布風器的射流流場進行數值分析。張衛東等[2]采用CFD技術，通過改變風量分配和風口形式等對艙室氣流溫度場和速度場進行數值模擬，并提出優化方案。李以通[3]通過建立艙室氣流分布綜合評價體系，對采用不同布風器送風情況下的室內氣流分布進行綜合評估，給出布風器選型的相關建議。亓海青等[4]采用CFD技術對某4人居住艙室夏季工況下室內風速、溫度、相對濕度、CO2溶解度進行模擬分析，研究送風角度、送風溫度和送風量對氣流組織熱舒適性及空氣品質的影響。顏曉光等[5]利用Airpak對某艙室的熱環境和氣流組織進行模擬，并對艙室空氣速度場和溫度場進行計算分析，為艙室氣流組織和舒適性改善提供支撐。

選取某船6人居住艙室為研究對象，利用CFD方法進行艙室內氣流場模擬，對夏季不同送風工況下的氣流速度和溫度進行分析，并依據ISO 7730標準，以空氣分布特性指標(Air Diffusion Performance Index,ADPI)[6]評價該艙室熱舒適性，得到不同送風溫度下的最佳送風量。

1 空氣分布特性指標

人體表面對吹風感較為敏感，空氣溫度和風速不適宜會導致不舒適，一般用有效溫差ΔET來判定舒適性。ΔET是反映空調區內空氣溫度和風速綜合作用的舒適性指標，其定義為

ΔET=(ti-tn)-7.66(ui-0.15)

(1)

式中：ΔET為有效溫差，K；ti為測點溫度，K；ui為測點速度，m/s；tn為工作區溫度，K。

ASHRAE 62-1989標準[7]規定，當測點處的ΔET在-1.7～1.1 K，且ui<0.35 m/s時，可認為此測點的溫度和風速對于人體是舒適的。ADPI作為舒適度評價指標，可用于判斷是否有吹風感，評價空氣溫度和風速對人體綜合作用下的熱舒適效果。其定義為工作區內滿足-1.7 K<ΔET<1.1 K要求的點占總測點數的百分比，即

-1.7<ΔET<+1.1

(2)

當ADPI≥80%時，可認為該艙室內氣流組織是令人滿意的。

考慮到在居住艙室的主要活動是睡眠，根據上/下床鋪的垂直高度，選取上/下鋪垂直剖面上的監測點，再根據這些點的速度和溫度值計算得到艙室內上/下鋪ADPI，以此評估該居住艙室的熱舒適性。

2 數值模擬

2.1 物理模型

研究對象為某船6人居住艙室，位于舷側，但沒有舷窗，室內有3張上/下鋪床和3個雙人衣柜。艙室設置2個布風器，每個布風器送風量為300 m3/h。艙室門上設有1個矩形出風口，尺寸為444 mm×546 mm，中心離二甲板0.4 m。布風器上端為靜壓箱，靜壓箱尺寸為500 mm×450 mm×150 mm，靜壓箱下方為圓形風管，風管尺寸為直徑0.155 m，高0.06 m，風管下端設置圓形擋板，直徑為0.255 m。

為了提高模擬速度，節省計算成本，在建模過程中進行適當簡化，如圖1所示。

圖1 簡化后的艙室模型

(1)將人體簡化為1.7 m×0.4 m×0.2 m的立方體；

(2)將靠近舷側的有船體型線曲度的艙壁簡化為直壁；

(3)將風管適當簡化為直筒及矩形管；

(4)將床下鋪簡化為立方體，上鋪簡化為一塊連接艙壁的板，省去護欄。

2.2 網格劃分

采用Hypermesh軟件進行網格劃分，采用非結構化四面體網格。首先建立基本模型，并進行網格粗劃分，然后對送風口區域、靜壓箱附近區域和出風口區域進行局部加密處理，模型網格數量約65萬個，網格模型如圖2所示。

圖2 艙室網格模型

2.3 控制方程

通風空調系統的氣體流動速度較低，為不可壓縮流體的定常流動，為了方便求解，對居住艙室內的氣體流動進行合理假設：

(1)滿足廣義牛頓黏性應力相關公式；

(2)不考慮因流體黏性力做功而產生的耗散熱；

(3)流場具有高湍流雷諾數；

(4)流體與熱源間的換熱為對流換熱，不考慮輻射傳熱；

(5)艙室內氣體流動為穩態湍流；

(6)除送風和回風口外，艙室具有良好的密閉性。

根據以上假設，其控制方程為

(3)

式中：Φ為通用變量；u、Γ、s分別為速度矢量、廣義擴散系數和源項。

2.4 邊界條件和求解模型

居住艙室的熱量主要來自人體與外界的熱量交換[8]。針對艙室實際情況，根據《船舶起居處所空調調節與通風設計參數與計算方法》(GB/T 13409-1992)對艙內傳入熱量進行計算。

(1)艙內傳入熱量

根據GB/T 13409-1992，艙內傳入熱量計算方法為

q=∑q1+∑q2+∑q3+∑qg

(4)

式中：∑q1為受到日曬的船舷、甲板及艙壁傳入熱量總和，W；∑q2為非空調艙室傳入熱量總和，W；∑q3為遮陽艙壁、甲板傳入熱量總和，W；∑qg為玻璃艙傳入熱量的總和，W；

① 受到日曬的船舷、甲板及艙壁傳入熱量公式為

q1=k1·A1·(td-tn)

(5)

式中：q1為受到日曬的船舷、甲板及艙壁傳入熱量，W；k1為傳熱面上相應隔熱結構的傳熱系數，W/(m2·K)；A1為艙壁與外界傳熱面積，m2；td為艙外當量空氣溫度，℃；tn為艙內設計空氣溫度，℃。

根據GB/T 13409-1992，計算夏季送風工況時，取艙室外當量空氣溫度為50 ℃。

② 非空調艙室傳入熱量公式為

q2=k2·A2·Δt

(6)

式中：q2為非空調艙室傳入熱量，W；k2為非空調艙室與空調艙室相鄰隔壁的隔熱結構傳熱系數，W/(m2·K)；A2為相鄰隔艙壁傳熱表面積，m2；Δt為相鄰艙壁之間的溫差，℃。

根據GB/T 13409-1992，計算夏季送風工況時，取走廊與空調艙室之間的溫差為2 ℃，空調機艙與帶空調艙室的溫差為5 ℃，盥洗室與帶空調艙室的溫差為2 ℃。

③ 遮陽艙壁、甲板傳入熱量：根據艙室實際布置位置,不存在遮陽艙壁和甲板傳熱,所以q3取值為0 W。

④ 玻璃艙傳入熱量：根據艙室實際布置位置，沒有舷窗，不存在玻璃艙傳熱，所以qg取值為0 W。

(2)人體發熱量

人體發熱量根據艙室內人數確定，等于人員數乘以每個人體的發熱量。人體發熱量公式為

qp=qps+qpt

(7)

式中：qp為人體發熱量，W；qps為人體顯熱量，W；qpt為人體潛熱量，W。

根據GB/T 13409-1992，當艙室內溫度為27 ℃，艙室內人員處于休息或輕度活動狀態時，人體發熱顯熱量為55 W，潛熱量為75 W。

經分析，得到各邊界條件參數，具體設置如表1所示。

表1 邊界設置

續表1 邊界設置

采用穩態模擬計算，選擇Realizablek-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解壓力和動力方程，采用標準壁面函數法處理近壁面區的流動，壓力采用Standard離散格式，其他參數采用二階迎風格式。收斂條件設置為能量殘差10-6，各向速度k-ε殘差設為10-3。

3 數值模擬結果及熱舒適性分析

3.1 計算工況

結合該艙室可能存在的送風狀態，選擇夏季空調送風溫度為16～19 ℃，各個布風器送風量為150～350 m3/h。夏季計算工況設計如表2所示。

表2 夏季計算工況

3.2 計算結果與分析

由于人員在居住艙室內的大部分活動是睡眠，主要對艙室內上/下床鋪氣流速度場、溫度場進行分析。根據艙內床鋪(上/下鋪)的垂直高度，選取典型垂直剖面z=0.5 m(下鋪)和z=1.5 m(上鋪)進行評估。

計算得到不同工況下艙室內氣流速度分布、上/下鋪氣流速度場和溫度場。根據所有工況的計算結果，得出不同送風溫度下的氣流速度、溫度、ADPI與送風量之間的關系。

以下僅以送風溫度為19 ℃、送風量為300 m3/h的工況為例，給出該工況下艙室氣流速度、上/下鋪氣流速度場和溫度場。

(1)艙室氣流速度分布。從圖3可以看出，整個艙室氣流速度低且分布較均勻，僅在進風口和出風口處的速度較大。

圖3 艙室內氣流速度矢量圖

(2)上/下鋪氣流速度場分布。由圖4可以看出，艙室上/下鋪范圍內大部分區域速度場分布較均勻，風速低于0.1 m/s。此外，下鋪的空氣流速低且分布更均勻。

(3)上/下鋪溫度場分布。由圖5可以看出，艙室內上/下鋪范圍內大部分區域溫度分布較均勻，平均溫度為300 K(27 ℃)。右側靠近墻角處溫度稍偏高，主要是因該處靠近烘衣柜室，且離布風器位置較遠；左艙壁附近溫度稍偏高，主要是因該處靠近舷側，但整體溫度處于27 ℃附近。

針對不同送風溫度和送風量生成的20種送風方案，通過計算得到各送風方案下艙室內氣流速度、艙內溫度和ADPI。通過分析20種方案的結果，得到艙內上/下鋪平均溫度及ADPI與送風量之間的關系。

(1)送風溫度為16 ℃。由圖6和圖7可以看出，當送風溫度為16 ℃時，從艙室舒適性指標角度考慮，各布風器的送風量控制在150～225 m3/h范圍內為宜。

圖4 艙室內上/下鋪氣流速度場

圖5 艙室內上/下鋪溫度場

圖 6 送風溫度為16 ℃時艙內上/下鋪平均溫度

圖7 送風溫度為16 ℃時艙內上/下鋪ADPI

(2)送風溫度為17 ℃。由圖8和圖9可以看出，當送風溫度為17 ℃時，從艙室舒適性指標角度考慮，各布風器的送風量控制在175～250 m3/h范圍內為宜。

圖8 送風溫度為17 ℃時艙內上/下鋪平均溫度

圖9 送風溫度為17 ℃時艙內上/下鋪ADPI

(3)送風溫度為18℃。由圖10和圖11可以看出，當送風溫度為18 ℃時，從艙室舒適性指標角度考慮，各布風器的送風量控制在200～275 m3/h范圍內為宜。

圖10 送風溫度為18 ℃時艙內上/下鋪平均溫度

圖11 送風溫度為18 ℃時艙內上/下鋪ADPI

(4)送風溫度為19 ℃。由圖12和圖13可以看出，當送風溫度為19 ℃時，從艙室舒適性指標角度考慮，各布風器的送風量控制在225～350 m3/h范圍內為宜。

圖12 送風溫度為19 ℃時艙內上/下鋪溫度

圖 13 送風溫度為19 ℃時艙內上/下鋪ADPI

綜合20種工況的熱舒適性對比分析結果，得到不同送風溫度下適宜的送風量，但具體送風量還需兼顧該艙室新鮮空氣的需求。

4 結 語

采用Fluent對夏季工況下某6人居住艙室的空氣環境舒適性進行數值計算。對比分析了20種工況的數值計算結果。研究結果表明：

(1)根據數值模擬結果，通過ADPI評價居住艙室內活動區域的氣流組織情況，可得到不同送風溫度下最佳送風量范圍。

(2)根據速度場、溫度場數值仿真結果，可掌握詳細的流場分布情況，較為準確地反映出艙室內空氣流動的細節。

(3)利用CFD方法可充分掌握艙室內的環境參數特性，進而對各參數進行合理有效的控制，更好地指導居住艙空調通風設計。