潛艇集控艙室氣流組織仿真及舒適性研究

楊懷德 李志印 石旭東 張 瑤

潛艇集控艙室氣流組織仿真及舒適性研究

楊懷德1李志印1石旭東2張 瑤1

（1.中國艦船研究設計中心 武漢 430064；2.華中科技大學 武漢 430074）

潛艇密閉艙室的空調通風系統受工作環境所限，無法隨時與外界進行氣體交換。而集控艙室由于人員密集、散熱設備較多等因素的影響，空氣環境更為惡劣。對潛艇艙室環境進行有效控制，為船員提供舒適的生存環境，是潛艇總體性能的一個重要指標。鑒于此，采用計算流體力學方法，根據實際的邊界條件，對集控艙室夏季水下和水上兩工況艙室內的氣流組織進行模擬計算。將計算結果可視化處理，對典型截面內的風速、溫度、CO2濃度和PMV值等指標進行分析。分析結果表明：在本文所采用的送風方式下，水下工況集控艙內大部分區域溫度25℃左右，除送風口外其余位置風速在0.3m/s左右，CO2濃度較小，艙內整體PMV值在-1～1之間。水上工況與水下工況相比，艙室內平均溫度略高，風速相同，但相關指標均滿足設計要求，船員的舒適性較好。研究結果對集控艙室氣流組織的設計有一定的指導意義。

氣流組織；模擬；舒適性；集控艙

0 引言

潛艇集控艙室作為潛艇運行的主要工作地點，其內部氣流溫度、風速、CO2濃度等指標直接影響工作人員舒適性，長時間處于高溫狀態下工作人員容易產生疲倦、煩躁等不良情緒[1]。因此，對潛艇集控艙室氣流組織及其舒適性進行研究，對潛艇空調系統設計以及改進具有重要的意義[2]。

目前，計算流體力學（CFD）技術已成為艙室內氣流組織研究的重要手段之一[3]。本文擬針對艙室相對封閉、空間狹小、人員眾多、空氣污染物濃度情況，綜合考慮氣流組織熱舒適性及空氣污染物濃度等因素，采用CFD方法設計艙室高熱負荷送風方案，為解決實際工程問題提供理論依據。

1 物理模型描述

本文研究對象是某型艦艇的集控艙室，按照1：1比例對艙室進行三維建模，艙內布有兩條送風管道，分別位于兩排工作臺工作人員頭頂最上方[4]，每條送風管道上布有4個送風口進行送風，艙室門下部設有一個的矩形回風口。集控艙室內部的工作人員簡化成倒Z字形分布，在人體模型上部設20mm×20mm正方形小口，模擬人體呼吸；在不影響計算結果的前提下，對其余相關設備進行適當簡化，簡化后的模型如圖1所示。

圖1 簡化后集控艙室模型圖

2 數值模擬模型

2.1 控制方程

計算模型采用兩方程湍流模型。采用兩方程湍流模型求解室內流體流動問題時，控制方程包括質量守恒方程、動量方程、能量方程及傳質方程[5]。

連續性方程：

不可壓縮流體可以簡化為：

動量方程：

能量方程：

傳質方程：

式中：S為第種物質的散發率。

2.2 網格劃分

鑒于模型內部結構多且復雜，對簡化三維模型進行非結構網格劃分，對風管以及送風口處網格進行不同程度加密，選取第4.1節方案中典型截面計算結果進行網格無關性驗證，結果如表1所示。由表可以看出，網格數為400萬與網格數為500萬時的計算結果相近。為提高計算效率，取網格數為400萬。最終網格劃分結果如圖2所示。

表1 網格無關性驗證結果

圖2 艙室模型網格劃分圖

3 計算模型假設及邊界條件設置

艙室內空氣的流動受強迫對流和自然對流的共同影響，且在實際艙室內會受到人員活動等因素的影響，過程復雜。為便于求解，對居住艙室內的空氣流動進行如下假設：

（1）艙室內氣體為不可壓縮氣體，流體密度僅對浮升力產生影響；

（2）艙室內空氣為充分發展的湍流，具有高雷諾數，忽略時間項的影響；

（3）流體與熱源間換熱為對流換熱，無輻射換熱；

（4）風管與空氣不發生換熱過程；

（5）艙室除送風和回風口外，密閉性良好；

（6）人員保持在自己位置，不進行移動。

夏季艙頂水上、水下內表面溫度如表2所示[1]。

表2 艙頂內表面溫度

模擬計算模型艙頂溫度按照表2中的計算數據進行設置，人體散熱量按照較大腦力勞動者設置為135W/h；人體模型呼吸出口設為速度入口，忽略呼吸氣體所含熱量，呼氣口溫度設為環境溫度27℃，速度設為0.3m/s，CO2質量分數設為4%[6]；設備散熱量按照實際工作狀態設置，艙室散熱設備熱負荷如表3所示。總管送風口設置為速度入口，方向垂直向下，送風速度1.62m/s，送風溫度設為18℃，送風溫差為9℃；回風口設為自由出流邊界條件。

表3 艙室總熱負荷

工作艙室內環境舒適性的評價主要包括熱舒適性及空氣品質。熱舒適性由室內氣流組織的溫度、風速、PMV指標衡量。綜合評價環境熱舒適性的PMV指標如表4所示。

表4 PMV指標

艙室空氣品質由CO2濃度衡量[7]，根據GB/T 18883—2002標準規定室內空氣中CO2濃度小于0.10%。為滿足艙室內環境舒適度的要求，表5給出了艙室設計指標。

表5 設計參數

4 模擬結果及分析

分水上和水下2個設計工況對該模型進行數值模擬。對典型截面的速度場、溫度場、CO2分布和PMV分布進行分析。考慮的典型截面為：截面1取垂直艙室地面橫切面；截面2取坐姿時人腿部截面高度0.4m處；截面4取人口呼吸高度0.95m；截面5取坐姿頭部上方高度1.4m處。各截面位置如圖3所示。

圖3 模型典型截面圖分布示意圖

4.1 水上設計工況

潛艇水上工況時，各截面艙室速度場分布云圖分別如圖4所示。由截面1分布云圖可以看出，冷風垂直射出，經工作臺阻擋形成彎道，由工作臺和人員間縫隙流出，出風口處及垂直方向區域風速較高，艙室下部氣流速度較低且分布均勻，風速在0.1～0.2m/s之間。由截面2分布云圖所示，在人腿高度所在水平面上，艙室送風口下方處及出風口處風速較大，大部分區域風速較小，在0.1～0.4m/s左右。截面3分布云圖表明，在人員坐姿時，口鼻呼吸所在高度處水平面上，風速較大區域集中在送風口正下方區域、出風口及工作人員和工作臺中間區域，但工作人員周圍風速在0.2～0.4m/s之間，大部分區域在0.2m/s以下，整個艙室風速大部分區域處于0.2m/s以下。截面4布云圖表明，高度為1.4m處艙室大部分區域風速在0.1～0.4m/s之間，送風口正下方處風速較高，但處于工作人員活動范圍外。

不同截面溫度場分布云圖如圖5所示。截面1分布云圖顯示，送風口下方風速較大區域溫度偏低，整個艙室由上至下溫度逐漸降低，由艙頂溫度較高導致，因工作臺為發熱體，工作臺邊角風速較低處小區域溫度較高，整個艙室大部分區域溫度在25～26℃之間。截面2分布云圖顯示，在人腿高度處，整個艙室大部分區域溫度集中在24～26℃，溫度場分布復雜，由艙室內部結構復雜導致。截面3分布云圖顯示，在人呼吸高度處，艙室大部分區域溫度集中在23～26℃之間，送風口正下方處溫度偏低，因送風口處低溫氣流無阻力射下導致，工作人員周圍溫度為24～26℃之間。截面4分布云圖顯示，在工作人員上方區域除垂直送風口下方區域溫度較低，工作臺上方區域溫度偏高外，整個艙室溫度在24～25℃之間。垂直風口下方處溫度較低，工作臺處溫度較高，由此截面距送風口距離較近氣流未向水平方向擴散導致。

不同截面PMV分布云圖如圖6所示。截面1云圖顯示，艙室大部分區域PMV值在0左右波動，風管下方區域PMV值偏低為-1，因此處風速及溫度較低導致。此處未處于人員活動區域。截面2云圖顯示，在人小腿高度處，出風口垂直正下方處PMV值偏高。截面3云圖顯示，在人口鼻高度處，除送風口下方區域PMV值較低外，整個艙室PMV值在0左右波動，PMV值較低區域為非工作人員活動區域。截面4云圖顯示，在工作人員上方區域，除送風口正下方處PMV值較低，其余大部分區域PMV值在0左右。

不同截面CO2分布云圖如圖7所示。由截面1云圖顯示，除人口鼻呼吸處CO2濃度較高外，整個艙室CO2濃度在0.04%～0.05%之間，風速較大區域CO2濃度偏低。由截面2云圖顯示，在人腿部高度處，整個艙室CO2濃度在0.04%～0.05%之間，且分布較為均勻。由截面3云圖顯示，在人呼吸高度處，除口鼻呼吸處及相近區域處，CO2濃度較高，其余區域CO2濃度在0.04%～0.05%之間，且分布較為均勻。由截面4云圖顯示，在人員上方高度處，大部分區域在0.04%～0.05%之間，部分區域出現環狀CO2高濃度區，經多截面觀察研究發現，此現象由于氣流從底部向上反射及出風口位置導致出現CO2環狀區域。

圖7 水上工況CO2分布云圖

4.2 水下設計工況

潛艇水下工況時，艙室速度場分布云圖各截面分別如圖8所示。該工況下不同典型截面艙室速度場分布與潛艇水上工況時艙室速度場分布相似。艙室大部分區域速度場分布較為均勻，速度較低，滿足設計要求。送風口周圍及艙室出風口處風速較高，其他大部分區域風速在0.1～0.4m/s，且分布較為均勻。

圖8 水下工況速度場分布云圖

潛艇水下工況時，艙室速度場分布云圖各截面分別如圖9所示。水下工況和水上工況大致趨勢相同，溫度分層情況相似，相比水上工況，由于水下工況較水上工況艙頂溫度低，故水下工況時艙室整體溫度偏低，在艙室上層相差2℃，在艙室下層幾乎無變化，整體溫度分布較為均勻且舒適。

圖9 水下工況溫度場分布云圖

潛艇水下工況時，艙室PMV分布云圖各截面分別如圖10所示。水下工況和水上工況分布情況相似，除送風口和出風口附近較小區域，整個艙室PMV值集中在0左右，且分布均勻，滿足舒適性要求。

圖10 水下工況PMV分布云圖

潛艇水下工況時，艙室CO2分布云圖各截面分別如圖11所示。水下工況和水上工況分布情況相似，除工作人員口鼻附近較小區域及人員側上方由于反彈風引起的CO2環形區域，整個艙室PMV值集中在0.04%～0.05%之間，分布均勻。

圖11 水下工況CO2分布云圖

5 結論

本文建立了空調送風的艦船典型工作艙室的流體域數值試驗模型，并進行數值模擬計算。通過對典型截面的速度場、溫度場、PMV指標及CO2濃度的分析，結果表明，無論水上還是水下設計工況，艙內大部分區域速度場分布較為均勻，速度較低，小于0.5m/s，滿足艙室設計要求。雖然出風口附近速度較高，但位于艙內人員活動區以上或不在工作人員活動周圍。在水上設計工況下，艙室大部分區域溫度場分布較為均勻，溫度約為24～26℃；水下設計工況和水上設計工況溫度場分層情況相似，艙室上部溫度較水上設計工況低2℃，艙室下部區域和水上工況基本相同，水上和水下工況大部分區域PMV值在0左右，CO2濃度在0.04%～0.05%之間，均分布均勻，均滿足舒適性空調標準。通過數值模擬計算，驗證了典型艙室空調系統布置的合理性。

[1] 趙恒,彭文波,周志杰.潛艇居住艙室空調送風舒適度數值模擬評估[J].中國艦船研究,2018,13(S1):189-198.

[2] 郭寶坤,李慧子,劉鑫,等.船用布風器冬季工況射流流場模擬及試驗研究[J].制冷與空調,2016,16(12):26-30.

[3] L.i YANG, Miao Ye, Bao Jiehe. CFD simulation research on residential indoor air quality[J] Science of The Total Environment, 2014,472:1137-1144.

[4] 胡國霞,田煒.高大空間送風口高度對氣流組織影響試驗研究[J]制冷與空調,2014,14(12):73-79.

[5] 劉翔宇.集中防護狀態下船舶關鍵區域的氣流組織研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2016.

[6] 亓海青,李志印,周立華.居住艙室空氣環境舒適性數值分析[J].中國艦船研究,2018,13(4):93-98.

[7] 周愛民,余濤,沈旭東.船舶艙室污染物傳播研究進展[J].艦船科學技術,2014,36(1):10-15.

[8] ASHRAE. 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook[M]. Thermal comfort, 2001.

Simulation Research on Air Distribution and Comfortableness in Central Control Room of Ssubmarine

Yang Huaide1Li Zhiying1Shi Xundong2Zhang Yao1

( 1.China Ship Development and Design Center, Wuhan, 430064;2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074 )

Because of submarine working environment, Air-conditioning and ventilation system couldn’t exchange gas of enclosed space in submarine with outside. For the features of staff-intensive and much waste heat from equipments accumulates in the internal air, air environment becomes worse. Having a more effective control of air environment of submarine and providing a comfortable living environment for the crew is an important performance index of submarine. In view of this, computational fluid dynamics will be used in this paper to simulate calculation of air distribution in the cabin of above and below the surface. The result will be visualized, and wind speed, temperature, CO2concentration and PMV value of representative section will be analyzed. The analysis results indicated that, in the condition of air supply method in this paper(underwater state), temperature of most area is around 25 centigrade, the wind speed is around 0.3 m/s except air supply grille. The CO2concentration was at a relatively low level and PMV value was from -1 to 1. Compared with underwater state, the average temperature of cabin in waterborne state was higher, the CO2concentration was smaller. However, related indicators satisfied design requirements and the crew felt more comfortable. The research result may be helpful for air distribution design in the central control room.

air distribution; simulation; comfortableness; central control room

U664.86

A

1671-6612（2020）03-390-07

楊懷德（1984.06-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：adrain_2011@126.com

2019-08-13