不同空調送風形式下船舶艙室舒適性數值模擬

曾 靜

(重慶交通大學航運與船舶工程學院 重慶 400074)

不同空調送風形式下船舶艙室舒適性數值模擬

曾 靜

(重慶交通大學航運與船舶工程學院 重慶 400074)

船舶艙室乘員的身體狀況和工作效率直接決定著船舶駕駛的安全，所以需要在艙室內建立合適溫濕度環境來保證乘員的舒適度，而室內空氣流動對于熱舒適影響非常大，本文將對一個簡單的艙室模型進行不同送風形式的CFD模擬，以說明不同空調送風對于艙室內熱舒適的影響，這將有助于船舶空調系統的設計。

船舶空調;送風形式;舒適度;CFD

引言

隨著我國經濟的不斷發展，使得我國船舶建造技術飛速發展，隨之而來的是人們對于船舶居住環境的要求也越來越高。對于陸地上的建筑，環境熱舒適性的評價使用的是PMV(Predicted Mean Vote 預測平均滿意度)，而室內的空氣溫度和風速對于PMV的大小起著至關重要的作用，目前研究室內空氣流動對于環境的影響基本上都集中在地面建筑，如徐麗[1]等運用CFD模擬方法，對比了上進上出、側進側出和置換通風三種送風方式下室內熱環境狀況，雒婉等[2]通過四種不同的送風方式比較室內的熱濕環境。而對于船舶艙室內的空調氣流組織的研究卻少之又少。

本文將嘗試通過CFD軟件對船舶艙室在不同送風形式下的熱濕環境進行模擬，以說明艙室內不同的氣流組織形式對于室內舒適度的影響。

一、艙室模型建立

由于船舶是運動的，所以對于艙室和建筑房間模型的不同在于外圍護結構外表面對流換熱系數的不同，所以對于艙室外圍護結構的傳熱系數需要按照船舶的運動速度重新進行計算。

(一)艙室物理模型

本文選取上海海事大學教學實習船育峰輪的學生居住艙室為模型(見圖1)。艙室在六層甲板，高為2.1m,長為3.6m，寬為3.3m。室內設計溫度為25℃，濕度為50%；艙壁A為外舷，在壁面上有一半徑為0.25m的圓型雙層真空玻璃；艙壁B,C,D和樓板E、F為內壁，在C壁上有一尺寸為1.9m的彩鋼板液壓門，外側溫度為27℃；樓板F外側為機艙，外側溫度為45℃；艙室內有一位船員，船速恒為12m/s。艙外溫度為35℃。

圖1 艙室模型

(二)艙室熱工計算

為了便于說明壁面的傳熱系數K計算過程，下面以圖2為例進行計算；假設壁面為n層，每層導熱系數為λi,外側換熱系數為hw,內側換熱系數為hn。

1)通過下式計算壁面導熱熱阻Rr。

(1)

2)壁面與外界之間的對流換熱屬于外略平板，通過下式計算壁面內外側對流換熱和熱阻Rnh, Rwh。

h=0.664λRe0.5Pr0.33/l

(2)

Rh=1/h

(3)

其中:Re為雷諾數，Pr為普朗特數,l為壁面特征尺寸。

3)通過下式計算壁面傳熱系數K，壁面材料和計算結果見表1。

(4)

表1 壁面參數

圖2 艙壁結構示意圖

二、艙室環境數值模擬

通過Airpak軟件對上文建立的模型分別進行側送側回、散流器平送側回兩種氣流組織的CFD數值模擬。

(一)邊界條件設置

1)太陽輻射強度I選取日照射最強時的最不利情況，為210W/m2；

2)壁面設置為對流換熱邊界條件，A壁面綜合溫度可以通過下式計算：

Tz=Tw+aI/hW

(5)

其中:Tw為室外溫度，α為壁面吸收系數為0.65-0.72；

hw為外表面對流換熱系數。

3)窗戶設為熱流邊界條件，為太陽輻射強度；

4)室內人員為靜座，產熱量為108W。

5) 設備和燈光產熱量為35 W/m2；

6)兩種形式的窗口有效面積都為0.08m2,送風速度為1m/s，送風溫度為16℃，濕度為50%。

(二)模擬結果分析

計算結果見圖3。

圖3 上排為側送，下排為散流器平送(從左到右 1m高溫度云圖，1m高相對濕度)

從結果可以看出兩種送風方式都能滿足艙內溫濕度要求，不同的是溫濕度分布稍有區別，側送方式溫度分布比較均勻，只在送風口附近溫度比較低，平均溫度在25.4℃左右；相對濕度分布均勻，在43%-50%內。散流器平送，溫度分布分為兩塊，在回風口附近會出現24℃左右的低溫，其余位置溫度在26.2℃左右，平均溫度將會比側送風要高1℃左右；相對濕度與溫度分布類似，主要分布在40%-47%，比側送低，這也與相對濕度與溫度變化成反比相符。

三、結論

不同的送風形式會對艙室內溫濕度環境產生影響從而影響室內舒適度，所以針對不同的室內布局選擇合適的氣流組織形式可以獲得良好的室內熱濕環境。

[1]徐麗，翁培奮.三種通風方式下的室內氣流組織和室內空氣品質的數值分析[J].空氣動力學學報, 2003,(03):311-319.

[2]雒婉,曲云霞.四種送風方式下室內熱環境的數值模擬分析[J].山東建筑大學學報,2012,27(05):505-508.

[3]柴婷,毛佳煒,陸懿東.基于CFD模擬的船舶空調艙室熱舒適性研究[J].船舶與海洋工程,2015,31(02):37-42.

[4]趙忠超,成華,秦伯進,船舶空調負荷動態與穩態算法比較與分析[J].船舶工程,2015,37(04):37-41.

曾靜(1991.04-)，男，漢，四川，碩士，重慶交通大學，船舶裝備監控與節能減排技術。