艦船典型集體防護區域艙室環境數值模擬

杜紅霞，王俊新

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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艦船典型集體防護區域艙室環境數值模擬

杜紅霞，王俊新

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

為優化集體防護區域艙室環境，采用流體計算仿真軟件Airpak對典型集體防護區域進行數值仿真計算，通過設置合理的設計參數、建模并劃分網格，得到集體防護區域壓力場、速度場和溫度場分布，計算結果表明，集體防護區域內超壓值分布合理，艙室溫度、風速符合人員生活、工作的舒適性要求。

集體防護區域；艙室環境；數值模擬

核生化條件下，水面艦船集體防護系統利用濾毒通風裝置濾除外界空氣中含有的放射性灰塵、生物戰劑、毒劑氣溶膠及蒸氣后，將潔凈空氣送入集體防護區域內，與其周界上的超壓控制設備協同[1]，在集體防護區內建立一定的超壓，阻止外界環境中核生化污染物進入集體防護區，使艦員在無需佩戴個人防護裝備的情況下完成作戰任務。集防區內艙室壓力、溫度、氣流速度分布直接影響集體防護的效果和人員的舒適性，目前空調艙室的數值模擬已經成為常見的設計驗證手段，但是集防區艙室的數值模擬尚未見報道。本文利用流體計算仿真軟件Airpak對集體防護區域內壓力場、溫度場、速度場進行仿真計算，為集體防護區域氣流組織提供參考。

1 典型集體防護區域設計參數

選擇典型集體防護區(見圖1)進行氣流組織仿真研究，該區域長26 m、寬12 m、高2.4 m，共11個空調艙室，21個布風器。布風器向艙室內送風，一部分通過回風口排出；另一部分通過排風口(模擬超壓泄放閥)排出，排風口的允許排出壓力是500 Pa，以此保證區域內始終有500 Pa的正壓。

該集體防護區設定有一個回風口和一個排風口，送風總量為4 500 m3/h，回風量為4 000 m3/h，排風量為500 m3/h。布風器風口直徑為80 mm，排風口直徑為200 mm；回風口尺寸為1 000 mm×1 000 mm。區域邊界上的門均設為關閉，內部的門均設為開啟，各艙室房門尺寸為1 700 mm×600 mm；外壁和天花板均設為絕熱，內壁傳熱系數K為0.92 W/(m2·k)，厚度為0.003 m。布風器上端為靜壓箱，靜壓箱下方為風管，出風口處設置兩側擋板，上層擋板為方形，下層擋板為圓形，房間內布風器結構和尺寸見圖2。

2 計算模型假設及邊界條件

艙室空間的空氣流動是自然對流和強迫對流共同作用形成的混合湍流流動，屬于湍流流動。由于實際艙室內的設備布置、空氣流動和傳熱非常復雜，因此需要對艙室內的空氣流動做相關合理假設以便進行求解[2-6]。

1)在模擬的過程中需要對設備家具及人員等的形狀進行簡化，如簡化為六面體等，與空氣接觸面均勻發熱。

2)艙室為密閉空間，也就是說在送風口處流入計算區域，在出風口處流出計算區域，這就確保空氣不會從別處流進或流出計算區域。

3)需要考慮送風與室內的溫差。單個布風器送風量250 m3/h，考慮夏季工況進行模擬計算，參數見表1。

4)側壁傳熱系數1.57 W/(m2·k)，外壁面夏季49 ℃；頂板傳熱系數為1.39 W/(m2·k)，外壁面溫度夏季為61 ℃。

表1 模擬計算參數

5)熱負荷包括人員和燈光，單個人員全熱負荷取為130 W，照明負荷取11 W/m2，不考慮設備負荷。為簡化模型，將人員負荷和燈光負荷直接添加到空調艙室地板。

3 湍流模型及網格劃分

對于艙室的流動，屬于湍流狀態，故采用標準k-ε湍流模型。AirPAK采用六面體非結構化(Hexa unstructured)網格劃分方法。首先建立基本模型，并進行網格粗劃分。然后進行局部加密[7-11]。主要加密處有3處：

1)加密布風器兩擋板間薄層區域。主要是針對垂直方向上，保證2擋板間有至少5層以上的網格。

2)靜壓箱附近區域加密。此加密較為簡單，只需將箱體3個方向上的網格數同時加密即可。

3)進風口加密。對圓形進風口進行加密。為使空氣出流平均，需要保證直徑范圍內網格層數在10層以上。

網格總量約為400萬，布風器附近區域網格劃分如圖3所示。

4 模擬結果

對模擬結果提取3個典型高度截面的壓力場、速度場和溫度場分布，模擬結果見圖4。

模擬結果表明，除密閉艙室外，其余房間正壓基本在510～520 Pa之間，回風口所在艙室正壓略低于其他房間；除回風口附近速度較大，其余房間風速基本滿足我國舒適性空調調節室內設計標準夏季室內風速不大于0.3 m/s的要求；各房間溫度互有差異，這是由于各空調房間內人員熱負荷不同造成的，但各房間基本滿足我國舒適性空調調節夏季室內設計標準范圍22～28 ℃。

5 結論

采用流體計算仿真軟件Airpak，對典型集體防護區域進行數值仿真計算，通過設置合理設計參數、建模并劃分網格，得到了集體防護區域壓力場、速度場和溫度場分布，模擬結果表明，集體防護區域內超壓值分布合理，艙室溫度、風速符合人員生活、工作的舒適性要求。流體計算仿真計算作為一種新型的設計輔助手段，可為集體防護區域氣流組織提供重要的參考和優化建議。

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Numerical Simulation of Cabin Environment in Warships Typical Collective Protection District

DU Hong-xia, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

To optimize cabin environment of collective protection district, numerical simulation was carried out for the typical collective protection zone using fluid calculation software Airpak. The pressure field, velocity field, temperature field of the collective protection area was obtained by setting reasonable design parameters and modeling. The simulation results show that the distribution of overpressure in the collective protection area is reasonable, the compartment temperature and wind speed can meet the personnel life and work comfort requirements.

collective protection district; cabin environment; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.029

2017-03-07

杜紅霞(1984—)，女，博士，工程師

研究方向：船舶保障系統設計

U698

A

1671-7953(2017)03-0125-03

修回日期：2017-03-27