某船典型空調住艙氣流組織的數值模擬

（海軍研究院，上海 200235）

趙元松，代 星

關鍵字：船舶；空氣調節；艙室；氣流組織

0 引言

傳統的氣流組織分析往往是憑借個人對物理現象的理解，按經驗進行單純的合成（即線性近似），實際上由于各參數之間的相互影響，氣流多為非線性現象。因此，單純的線性合成是不科學的，再加上室內空氣流動特征的復雜性和不確定性，純理論分析存在較大困難，而傳統的模型試驗由于受到試驗條件的限制，得出的經驗或半經驗公式也有很大的局限性[1]。計算機數值模擬法能夠較為方便地模擬不同工況的氣流組織情況，相比理論和試驗方法具有獨特優勢，應用越來越廣泛[2]。

CFD計算機流體分析軟件可用于模擬分析具有復雜外形的流體流動和傳熱問題，廣泛應用于空間流場的數值模擬[3-7]，即對流分布、溫濕度、氣體濃度的計算。Fluent 計算軟件提供了完全的網格靈活性，用戶可以使用非結構網格，對相對復雜的集合結構網格生成非常有效，可以生成網格包括二維的三角形和四邊形網格，三維的四面體、六面體及混合網格，甚至可以用混合型非結構網格[8]。

空調艦員住艙是艦員生活、休息的場所，對溫度、風速等舒適性要求較高。本文對某船典型空調住艙氣流組織開展數值模擬分析，研究空調住艙艙室空間結構、氣流組織機理及特點，利用CFD計算軟件，研究建立典型空調住艙數值仿真模型，開展艙室氣流組織的數值仿真分析，研究得到艙室溫度分布、氣流速度分布、以及空氣置換情況，為艙室氣流組織優化提供參考。

1 分析模型

1.1 物理模型

艙室氣流組織的任務在于使經過各種處理的空氣合理地分布到被調節的艙室，在與周圍空氣熱、質交換的同時，保持受控區域內的空氣溫度、濕度、清潔度和風速處于預定的限度，主要與送風口的形式、數量、位置，回風口的位置，送風參數等有關。住艙空調通風氣流組織一般采用上送下回的頂式送風方式，空調通風由布置在天花板上的布風器向艙內送入冷風（或熱風），新風在艙室內擴散流動，與艙室空氣進行熱交換和混合置換，最后由艙門中的排氣格柵排向艦船內部通道。

針對多人住艙開展仿真分析，物理模型如圖1所示，采用頂式布風器送風，回風口為房門下側的通風格柵和壁板上的排氣扇，內部主要物品包括床鋪、衣柜等，艙室內部結構復雜，在仿真建模中盡量完全反應艙室內結構的細節，但對流動影響不大的區域進行適當簡化，將人體簡化為一個長方體，回風格柵簡化為矩形開口（仿真計算添加流動損失）。

圖1 物理模型

1.2 數學模型

k-ε兩方程模型是目前應用比較廣的一種湍流模型，在暖通空調領域，采用k-ε雙方程湍流模型優于其它模型。k-ε兩方程模型是一個半經驗的公式，但其形式簡單、計算速度適中、計算精確度較好，在工程上又得到了普遍的驗證。k-ε模型借助混合長度模型關于湍流粘度的假設建立湍流動能k和湍流耗散率ε之間的關系

1.3 邊界條件

空調通風分析條件主要包括送風參數、出風條件、艙內發熱情況、艙內物品對氣流的引導和阻礙情況等，分別對應與仿真分析的空氣進口、空氣出口、熱源、壁面4個邊界條件設置。

1）空氣進口。艙室空調通風主要控制進氣風量和進氣溫度，符合速度進口特征，仿真空氣進口采用速度進口（Velocity-inlet），根據艙室空調通風情況，進氣氣流速度一般為5 m/s，進氣溫度為20℃。

2）空氣出口。艙室空氣出口主要通過門下側的排氣格柵和排氣扇排入走廊過道，氣流通過排氣格柵，有一定的流動阻力，符合outlet-vent 邊界特征，故排氣格柵采用outlet-vent 邊界，排氣扇采用排氣扇出口（Exhaust fan）。

3）熱源。艙室內主要熱源來自人體散熱，人體正常情況下發熱功率約為65 W/人，散熱主要通過人體表面空氣對流換熱傳遞，對流換熱主要由換熱面積和熱流密度決定，故將體熱源等效轉換為面熱源，表面熱流密度約為42.76 W/m2。

4）壁面。壁面為氣流無法通風的邊界，對氣流起導向和阻礙作用，墻、床、地板、辦公桌、衣柜等與氣流接觸的表面符合壁面特征，將這些表面設置為壁面（wall）。

1.4 網格劃分

模型網格劃分采用非結構化網格進行劃分，在送風口、回風口附近的流體速度梯度較大，對送風口、回風口分別進行局部網格加密。

2 氣流組織數值仿真

2.1 仿真計算

利用k-ε方程求解，對計算模型作如下假設：

1）室內空氣為不可壓縮而且符合Boussinesq假設，即流體密度變化僅對浮升力產生影響。

2）流動為穩態湍流。

3）忽略固體壁面間的熱輻射，室內空氣為輻射透明介質。

4）流場具有高紊流Re數，流體的湍流粘性具有各向同性。

5）氣流為低速不可壓縮流動，可忽略由流體粘性力作功所引起的耗散熱。

仿真計算具體設置如下：

1）湍流模型。k-ε三維湍流模型。

2）離散格式。壓力為一階迎風格式；溫度為二階迎風格式；動量為二階迎格式。

3）亞松弛因子。壓力為0.6；溫度為1；動量為0.7；k為0.6；ε為0.6。

4）收斂準則。流動為1×10?3；能量為1×10?6。

2.2 仿真結果分析

進氣風速為5 m/s，進氣溫度為20℃（293 K），通過仿真計算，得到通風粒子流動軌跡，以及流場和溫度場分布情況，見圖3。從通風粒子流動軌跡可以看出，布風器送入的空氣在艙室內流動受到氣流相互作用、艙壁、床等因素影響，在艙室內形成復雜的分布狀態，在靠近舷壁側的鋪位之間的過道中，氣流存在多次回流，送入的新風與艙內氣流混合較充分；在2個雙人床之間的過道上，左右兩側布風器送出的氣流相互作用，使左側布風器向右側流動的氣流方向發生改變，流向舷壁側；同時右側布風器送風的氣流變向，由向左側流動轉向艙門側流動，直至通過排氣扇和排氣格柵排出艙室。從空氣置換角度來說，該氣流組織方式左側2個布風器的送風置換了艙室內大部分空間的空氣，而右側2個布風器主要置換小部分空間的空氣，甚至有部分新風從房間頂部直接流向排氣扇，未與艙室內部的空氣充分混合，既不能通過熱交換充分發揮溫度調節作用，也不能置換艙室內的空氣。

圖2 艙室通風粒子流動軌跡

從圖3和圖4這個截面上的氣流分布矢量圖可以看出，來自送風管的空氣通過布風器進入艙室內，布風器出口處氣流主要在艙室上部流動，經過不同布風器氣流的相互作用以及艙壁的阻礙作用，氣流向下沉，進入人員休息和活動區。垂直方向氣流速度變化較大，但氣流速度梯度較大的位置主要集中在艙室上部，各床鋪位置和過道上的氣流比較均勻，主要在外側3層鋪位下面兩層之間的流速較小，流速均不超過0.3 m/s。

圖3 通過排氣扇垂直截面氣流分布矢量圖

圖4 通過排氣格柵垂直截面氣流分布矢量圖

圖5和圖6分別給出了2個垂直截面上的溫度分布云圖。總體上靠近外側的區域溫度高于內側區域，分析原因主要是布風器布置較靠近房間中部，外側換熱效果較差，特別外側三層鋪位的下面2層之間的流速較小，對流換熱效果較差，使最下層鋪位溫度相對較高，但主要溫差在2℃范圍內，符合標準要求。布風器下部形成的回流，將人體散發出的熱量向上輸送，起到了較好降溫效果。

圖5 通過排氣扇垂直截面溫度分布云圖

圖6 通過排氣格柵垂直截面溫度分布云圖

圖7和圖8分別給出了2個水平截面上的氣流速度矢量圖。從圖7和圖8中可以看出，在房間中下部，上下鋪位之間的氣流速度較小，而鋪位之間的過道處氣流速度相對較大，主要由于送風氣流在艙室內主要是由上向下流動，床鋪對氣流的阻礙作用使氣流主要集中在過道中。

圖7 鋪位之間水平方向氣流分布云圖

圖8 鋪位上方水平方向溫度分布云圖

圖9 和圖10 分別給出了2 個水平截面上的溫 度分布云圖。

圖9 鋪位之間水平方向溫度分布云圖

圖10 鋪位上方水平方向溫度分布云圖

其中Y＝0.85 m 的水平截面位于第一層鋪位與第二層鋪位之間，Y＝1.9 m 水平截面位于最上層鋪位與房頂之間。從圖8中可以看出，人體的熱量使鋪位周圍的空氣溫度有所升高，外層鋪位及過道的溫度高于內側。不同高度的鋪位，對應的溫度有所區別，上層鋪位溫度比下層的低。總體上人員休息和活動區域的溫差在2℃以內。

3 結論

本文采用CFD方法對某船典型人員空調住艙空調通風氣流組織進行了數值仿真模擬，建立典型艙室數值仿真模型，研究得到艙室內部氣流流場分布和溫度場分布情況，分析了艙室氣流組織，可得出如下結論：

1）艙室內氣流分布和循環未見局部死角，布風器送入的新風大部分排出艙室前與艙內氣流混合較充分，基本符合空調通風要求，但排氣扇靠近布風器射流區，有部分新風從房間頂部直接流向排氣扇，未與艙室內部的空氣充分混合，既不能通過熱交換充分發揮溫度調節作用，也不能置換艙室內的空氣，排氣扇位置應適當調整，避開射流區。

2）垂直方向氣流速度變化較大，但氣流速度梯度較大的位置主要集中在艙室上部，各床鋪位置和過道上的氣流比較均勻，主要在外側三層鋪位下面兩層之間的流速較小，流速均不超過0.3 m/s；水平方向上，在房間中下部，上下鋪位之間的氣流速度較小，而鋪位之間的過道處氣流速度相對較大。

3）靠近舷側的區域溫度高于內側區域，分析原因主要是布風器布置較靠近房間中部，外側換熱效果較差，特別外側3層鋪位的下面兩層之間的流速較小，對流換熱效果較差，使最下層鋪位溫度相對較高；不同高度的鋪位，對應的溫度有所區別，上層鋪位溫度比下層的低。