艦船典型居住艙室氣流場特性仿真分析

竇喬1，劉琦，余陽

(1.大連東軟信息學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，遼寧 大連 116023；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

艦船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是為艙室提供安全舒適的室內(nèi)空氣條件，為艦員身心健康、設(shè)備正常運(yùn)行乃至艦船戰(zhàn)斗力的發(fā)揮提供充分保障[1]。設(shè)計合理的通風(fēng)系統(tǒng)不僅要滿足船舶建造規(guī)范對空氣質(zhì)量和通風(fēng)量的要求，還需要確保艙室內(nèi)氣流組織合理，溫度分布均勻，避免出現(xiàn)空氣流動死角使局部熱量或危險氣體堆積[2]。近年來，隨著計算流體動力學(xué)(CFD)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到船舶領(lǐng)域[3-9]。本文通過CFD模擬分析艦船典型居住艙段在夏季和冬季兩種空調(diào)工況下的氣流組織和溫度分布，以此驗證空調(diào)通風(fēng)方式的效果。

1 艙段建模及網(wǎng)格劃分

根據(jù)艦船典型艙段實(shí)際房間布置情況，對模擬區(qū)域進(jìn)行簡化建模。艙室中各個房間回風(fēng)口為格柵式回風(fēng)口，寬0.25 m，高0.40 m，底端距離地面0.15 m。各個房間的格柵式排風(fēng)口相同，建立模型時將其簡化為無格柵對應(yīng)的有效面排風(fēng)口。空調(diào)房間設(shè)有送風(fēng)管與布風(fēng)器連接，建模時僅考慮布風(fēng)器，不考慮送風(fēng)管。對該區(qū)域各個空調(diào)房間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，選擇如圖1所示432萬網(wǎng)格開展后續(xù)仿真計算。

圖1 艙段網(wǎng)格分布

2 艙段邊界條件描述

由于艙室實(shí)際工況較為復(fù)雜，模擬計算時將模擬區(qū)域各個邊界條件進(jìn)行合理的簡化，各邊界條件設(shè)置如下:艙段暴露側(cè)壁，夏季工況下壁溫取49 ℃，冬季工況下壁溫取-18 ℃。墻體換熱系數(shù)為1.57 W/(m2·K)。艙段上側(cè)穿衣室、淋浴室、脫衣室及左下側(cè)配電間相鄰房間為非空調(diào)房間，根據(jù)船舶內(nèi)相鄰房間溫差經(jīng)驗值，取穿衣室、脫衣室與空調(diào)房間夏季溫差為6 ℃(夏季空調(diào)房間設(shè)計溫度為27 ℃)，冬季溫差為10 ℃(冬季空調(diào)房間設(shè)計溫度為20 ℃)，即夏季外壁面溫度取33 ℃，冬季外壁面溫度取10 ℃；取淋浴室與空調(diào)房間夏季溫差為6 ℃，冬季不設(shè)溫差，即夏季外壁面溫度取33 ℃，冬季外壁面溫度取20 ℃；取配電室夏季和冬季外壁面溫度均取40 ℃。

模型中與這些相鄰房間之間的壁面的傳熱系數(shù)為1.12 W/(m2·K)。

各房間熱負(fù)荷設(shè)置見表1。

表1 房間室內(nèi)熱擾參數(shù)

考慮空調(diào)房間與走廊及相鄰非空調(diào)房間存在熱量交換的情況，模型中設(shè)置內(nèi)部壁面為換熱壁面，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.12 W/(m2·K)。模型中頂板夏季工況下壁溫取61 ℃，冬季工況下壁溫取-18 ℃，傳熱系數(shù)為1.39 W/(m2·K)。室內(nèi)熱擾包括人員和照明，室內(nèi)熱擾折合成單位面積熱流指標(biāo)添加到地板上，不考慮室內(nèi)其他設(shè)備發(fā)熱。

艙段上下底板出風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界。模擬收斂條件設(shè)置為能量殘差10-6，其余變量殘差設(shè)置為10-3。

3 結(jié)果及分析

3.1 夏季工況模擬結(jié)果

根據(jù)夏季艙段室內(nèi)外空調(diào)設(shè)計參數(shù)，模擬分析艙段夏季工況下室內(nèi)空調(diào)效果的溫度分布見圖2，速度分布見圖3。

圖2 截面4溫度分布圖(0.6 m平面)

圖3 截面4速度分布圖(0.6 m平面)

由圖2溫度分布圖可知，艙段夏季空調(diào)效果較好，空調(diào)房間室溫分布在25 ℃～30 ℃之間，大部分區(qū)域滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)夏季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍22 ℃～28 ℃。

301室、302室、303室和304室僅有一側(cè)為暴露側(cè)壁，且暴露側(cè)壁面積較小，壁面?zhèn)鳠崃枯^小，室溫分布在25 ℃～27 ℃之間。

305室雖然只有一側(cè)為暴露側(cè)壁，但暴露側(cè)壁面積較大，壁面?zhèn)鳠崃枯^大(即艙外向艙內(nèi)傳熱量較大)，故室溫略高于艙段上側(cè)的4個房間，室溫在27 ℃左右，與夏季室內(nèi)設(shè)計溫度27 ℃保持一致。

306室右側(cè)及下側(cè)均為暴露側(cè)壁，壁面?zhèn)鳠崃亢艽?，故室溫較高，分布在26 ℃～30 ℃。走廊溫度分布在26 ℃～28 ℃之間，靠近暴露側(cè)壁區(qū)域溫度較高，艙段內(nèi)部區(qū)域溫度較低。

由圖3可知，艙段空調(diào)房間布風(fēng)器下方風(fēng)速較大，其他區(qū)域風(fēng)速較小，滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)夏季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.3 m/s的要求。由于艙室門上通風(fēng)口高度與截面4高度接近，通風(fēng)口處風(fēng)速較大，約為0.6 m/s。

圖4 截面5溫度分布圖(1.1 m平面)

圖5 截面5速度分布圖(1.1 m平面)

對比截面5溫度分布圖(圖4)和截面4溫度分布圖(圖3)可知，截面5溫度分布和截面4溫度分布相似，溫度及溫度分布區(qū)域大致相同?？照{(diào)房間室溫分布在24.5 ℃～30 ℃之間，大部分區(qū)域滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)夏季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍22 ℃～28 ℃。

由圖5速度分布圖可知，艙段空調(diào)房間除壁面處風(fēng)速較大，達(dá)到0.4 m/s，其他區(qū)域風(fēng)速較小，滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)夏季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.3 m/s的要求。

圖6 截面6溫度分布圖(1.4 m平面)

圖7 截面6速度分布圖(1.4 m平面)

圖8 截面7溫度分布圖(1.7 m平面)

由圖6溫度分布圖可知，截面6溫度分布和截面4、5溫度分布相似，溫度及溫度分布區(qū)域大致相同?？照{(diào)房間室溫分布在24 ℃～30 ℃之間，大部分區(qū)域滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)夏季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍22 ℃～28 ℃。

由圖7速度分布圖可知，艙段空調(diào)房間布風(fēng)器下方風(fēng)速較大，其他區(qū)域風(fēng)速較小，滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)夏季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.3 m/s的要求。

對比圖8溫度分布圖和截面4、5、6溫度分布圖可知，空調(diào)房間截面7溫度分布明顯沒有另外3個截面溫度分布均勻，主要是應(yīng)為截面7高度接近布風(fēng)器送風(fēng)口高度，并且每個艙室均布置2個布風(fēng)器，2個送風(fēng)口之間相互影響，氣流較為混亂，布風(fēng)器周圍區(qū)域溫度分布較雜亂?？照{(diào)房間室溫分布在24 ℃～30 ℃之間，大部分區(qū)域滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)夏季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍22 ℃～28 ℃。

3.2 冬季工況模擬結(jié)果

根據(jù)冬季艙段室內(nèi)外空調(diào)設(shè)計參數(shù)，模擬分析艙段冬季工況下室內(nèi)空調(diào)效果如下列溫度分布圖(圖9)及速度分布圖(圖10)所示。

圖9 截面4溫度分布圖(0.6 m平面)

圖10 截面4速度分布圖(0.6 m平面)

由圖9溫度分布圖可知，艙段冬季空調(diào)效果較好，室溫分布在17 ℃～23 ℃，基本滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍18 ℃～24 ℃。

301室、302室、303室和304室僅有一側(cè)為暴露側(cè)壁，且暴露側(cè)壁面積較小，壁面?zhèn)鳠崃枯^小，故室溫較高，分布在22 ℃～23 ℃之間。

305室雖然只有一側(cè)為暴露側(cè)壁，但暴露側(cè)壁面積較大，壁面?zhèn)鳠崃枯^大，故室溫略低于艙段上側(cè)4個房間，室溫在21 ℃左右。

306室右側(cè)及下側(cè)均為暴露側(cè)壁，壁面?zhèn)鳠崃亢艽螅适覝剌^低，分布在17 ℃～21 ℃。

走廊溫度分布在17 ℃～20 ℃之間，靠近暴露側(cè)壁區(qū)域溫度較低，艙段內(nèi)部區(qū)域溫度較高。

與截面4夏季工況速度分布圖比較可知，截面4冬季工況(圖10)與夏季工況的速度分布基本相同。艙段空調(diào)房間布風(fēng)器下方風(fēng)速較大，其他區(qū)域風(fēng)速較小，滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)冬季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.2 m/s的要求。由于艙室門上通風(fēng)口高度與截面4高度接近，通風(fēng)口處風(fēng)速較大，約為0.6 m/s。

對比截面5溫度分布圖和截面4溫度分布圖可知，截面5溫度分布(圖11)和截面4溫度分布相似，溫度及溫度分布區(qū)域大致相同，空調(diào)房間室溫分布在17 ℃～23 ℃之間，基本滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍18 ℃～24 ℃。

圖11 截面5溫度分布圖(1.1 m平面)

由圖12冬季工況速度分布圖可知，截面6冬季工況與夏季工況的速度分布基本相同。艙段空調(diào)房間布風(fēng)器下方風(fēng)速較大，其他區(qū)域風(fēng)速較小，滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)冬季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.2 m/s的要求。

圖12 截面6速度分布圖(1.4 m平面)

對比截面7溫度分布圖和截面4、5、6溫度分布見圖13。

圖13 截面7溫度分布圖(1.7 m平面)

由圖13可知空調(diào)房間截面7溫度分布明顯沒有另外3個截面溫度分布均勻，主要是因為截面7高度接近布風(fēng)器送風(fēng)口高度，并且每個艙室均布置2個布風(fēng)器，兩個送風(fēng)口之間相互影響，氣流較為混亂，風(fēng)器周圍區(qū)域溫度分布較雜亂?？照{(diào)房間室溫分布在16 ℃～23.5 ℃之間，基本滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍18 ℃～24 ℃。

4 結(jié)論

基于k-ε湍流模型對艦船典型艙段的氣流組織開展的三維數(shù)值模擬分析表明，夏季工況下，艙段各典型高度平面溫度及速度分布相似，空調(diào)房間溫度分布較為均勻，基本滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)夏季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍22 ℃-28 ℃；艙段除了房間門上的通風(fēng)口附近風(fēng)速較大外，其余區(qū)域風(fēng)速較低，滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)夏季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.3 m/s的要求。冬季工況下，艙段各個典型高度平面溫度及速度分布相似，空調(diào)房間室溫普遍在17 ℃～23 ℃，大部分區(qū)域基本滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；艙段除了布風(fēng)器附近風(fēng)速較大外，其余區(qū)域風(fēng)速較低，滿足我國舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)冬季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.2 m/s的要求。數(shù)值仿真驗證了艦船典型艙段在空調(diào)工況下氣流組織的合理性。