居住艙室空氣環(huán)境舒適性數(shù)值分析

亓海青，李志印，周立華

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

居住艙室作為船員休息的主要場(chǎng)所，其內(nèi)部空氣環(huán)境直接影響著船員居住的舒適性。艙室空氣環(huán)境主要指空氣熱舒適性和空氣品質(zhì)，合理的氣流組織分布是提高艙室環(huán)境舒適性的根本保障［1］。目前，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)已成為艙室內(nèi)氣流組織研究的重要手段之一［2-4］，而將CFD技術(shù)應(yīng)用于艙室氣流組織仿真計(jì)算也受到了研究人員的廣泛關(guān)注。Liu［5］使用Airpak軟件對(duì)船舶空調(diào)艙室的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了仿真優(yōu)化。Chen等［6］分析了送風(fēng)方向?qū)ε撌覂?nèi)空調(diào)環(huán)境的影響。郭寶坤等［7］采用CFD技術(shù)對(duì)冬季工況船用布風(fēng)器的射流流場(chǎng)進(jìn)行了研究。梁彥超［8］針對(duì)某船艙室內(nèi)的高溫區(qū)域提出了通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化措施。李培銘等［9］針對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的不同工況，對(duì)艙室氣流組織進(jìn)行了數(shù)值分析，提出了符合變風(fēng)量空調(diào)艙室舒適性氣流分布要求的送風(fēng)方案。劉亞琴等［10］采用局部射流送風(fēng)技術(shù)，利用CFD軟件對(duì)船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。張衛(wèi)東等［11］依據(jù)艙室內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，通過改變風(fēng)量分配和風(fēng)口形式等方法對(duì)艙室氣流組織進(jìn)行了CFD數(shù)值優(yōu)化研究。曹紅波等［12］采用CFX軟件對(duì)某典型艦船動(dòng)力艙室大氣環(huán)境進(jìn)行仿真研究，通過與實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，CFX軟件可以實(shí)現(xiàn)艦船艙室大氣環(huán)境的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)并對(duì)其流場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化。李以通［13］建立了船舶居住艙室氣流分布的綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)采用4種布風(fēng)器送風(fēng)情況下艙室內(nèi)的氣流分布進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，給出了船舶居住艙室布風(fēng)器選型的初步建議。上述研究工作為船舶居住艙室氣流分布的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及提高艙室居住性提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

鑒于上述研究均側(cè)重于艙室內(nèi)的空氣熱舒適性。本文擬針對(duì)艙室相對(duì)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方法研究送風(fēng)角度、送風(fēng)溫度和送風(fēng)量等參數(shù)對(duì)居住艙室空氣環(huán)境舒適性的影響，以得到較滿意的送風(fēng)方案，為解決實(shí)際工程問題提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算模型

本文提出了一種四人間居住艙室的三維簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。艙室尺寸為2.115 m×1.911 m×2.02 m（長(zhǎng)×寬×高）。送、回風(fēng)方式為上送下回，即送風(fēng)裝置采用方形散流器，有效通風(fēng)面積0.024 m2，模型中尺寸簡(jiǎn)化為0.155 m×0.155 m，風(fēng)口距地面1.8 m，回風(fēng)口尺寸為0.2 m×0.2 m。船員簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體模型，尺寸為0.2 m×0.3 m×1.6 m，口鼻等人體呼吸口用0.02 m×0.04 m的長(zhǎng)方形代替。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程

為便于求解，本文對(duì)居住艙室內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行如下相關(guān)合理假設(shè)：

1）居住艙室內(nèi)氣體為不可壓縮，且符合Boussinesq假設(shè)，認(rèn)為流體密度僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響；

2）氣流為低速、不可壓縮流；

3）流體與熱源間的換熱為對(duì)流換熱，不考慮輻射熱；

4）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；

5）艙室除送風(fēng)和回風(fēng)口外，密閉性良好。

根據(jù)以上假設(shè)，本文中的湍流模型采用工程流場(chǎng)計(jì)算中常用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其控制方程如下［14］：

式中：k為湍流動(dòng)能；η為分子粘性；ε為湍流耗散率；u為某方向速度；ρ為密度；t為時(shí)間；c1，c2，cμ為常量，一般分別取為 1.44，1.92和 0.09；σk，σε分別為k方程和ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)（Prandtl number），分別取為1.0和1.3。

2.2 網(wǎng)格劃分

本文用于研究的居住艙室采用六面體非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，根據(jù)空調(diào)領(lǐng)域相關(guān)CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)送風(fēng)口和回風(fēng)口等溫度及速度梯度變化大的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。選取第2.3節(jié)方案中典型截面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。由表以可看出，網(wǎng)格數(shù)為150×104與網(wǎng)格數(shù)為200×104時(shí)的計(jì)算結(jié)果相近。為提高計(jì)算效率，取網(wǎng)格數(shù)為150×104。具體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Reliability verification of grid independence

2.3 邊界條件

夏季工況下居住艙室總的熱負(fù)荷不變，設(shè)計(jì)溫度為27℃。當(dāng)送風(fēng)溫度分別取為16℃和18℃時(shí)，根據(jù)艙室內(nèi)負(fù)荷平衡進(jìn)行概算，得到所需送風(fēng)量相應(yīng)為216和267 m3/h。居住艙室模型的邊界條件設(shè)置如表2所示。

表3給出了通過改變送風(fēng)角度、送風(fēng)溫度和送風(fēng)量形成的4種不同送風(fēng)方案。根據(jù)不同送風(fēng)方案對(duì)艙室內(nèi)的氣流組織進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

居住艙室內(nèi)環(huán)境舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括2個(gè)方面：熱舒適性及空氣品質(zhì)。熱舒適性主要包括室內(nèi)氣流組織的溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度和PMV指標(biāo)等。其中，PMV指標(biāo)考慮了人體活動(dòng)程度、衣服熱阻（衣著情況）、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和空氣濕度等6個(gè)因素。綜合評(píng)價(jià)環(huán)境熱舒適性的PMV指標(biāo)如表4所示［15］。

表2 邊界條件設(shè)置Table 2 Boundary condition setting

表3 不同送風(fēng)方案變量參數(shù)Table 3 Variable parameter of different air supply schemes

表4 PMV指標(biāo)Table 4 PMV indices

艙室空氣中的CO2濃度是評(píng)價(jià)艙室空氣品質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為降低能耗，盡量減少新風(fēng)量是導(dǎo)致艙室內(nèi)空氣品質(zhì)差的主要原因之一。

為滿足夏季工況下居住艙室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求，表5給出了氣流組織的評(píng)價(jià)指標(biāo)。GB/T 17094-1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了室內(nèi)空氣中CO2濃度小于0.10%，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將該指標(biāo)取為小于或等于0.08%。

表5 設(shè)計(jì)參數(shù)Table 5 Design parameters

3 數(shù)值模型驗(yàn)證

采用ANSYS 14.0軟件對(duì)4種送風(fēng)方案進(jìn)行模擬計(jì)算后，分別選取距地面0.2，0.7，1.2和1.7 m處的截面中心點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)于人體的小腿部位、人體在下鋪躺下的位置、人體站立時(shí)的胸部以及上鋪高度附近、人體站立時(shí)的頭部位置，如圖3所示。

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)表2所述邊界類型構(gòu)建模擬艙室，其中人員負(fù)荷及滲透熱負(fù)荷利用電熱器模擬，將模擬艙室方案1試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與數(shù)值計(jì)算讀取點(diǎn)相同，均為各截面中心點(diǎn)。選取溫度為典型參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表6所示，誤差在7%以內(nèi)，滿足數(shù)值計(jì)算要求。測(cè)試值稍高于模擬值，主要是由模擬艙室墻壁及門縫漏熱引起。

表6 溫度對(duì)比Table 6 Temperature comparisons

4 結(jié)果分析

由圖3所示截面，統(tǒng)計(jì)各截面的送風(fēng)風(fēng)速、送風(fēng)溫度、相對(duì)濕度、PMV和CO2濃度等參數(shù)的平均值，根據(jù)各參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析各方案的計(jì)算結(jié)果。

圖4所示為不同送風(fēng)方案下各截面的風(fēng)速對(duì)比結(jié)果。由圖可知，4種送風(fēng)方案均滿足要求，其中前3種方案風(fēng)速分布比較接近，且距地面高度分別為0.2，0.7和1.2 m的截面風(fēng)速相同。這表明，當(dāng)送風(fēng)量相同時(shí)，改變送風(fēng)溫度和角度對(duì)風(fēng)速分布影響較小；減少送風(fēng)量后，方案4各截面的平均風(fēng)速較小。

圖5所示為不同送風(fēng)方案下各截面溫度對(duì)比結(jié)果。由圖可知，方案3的平均溫度低于設(shè)計(jì)溫度，方案1，2，4的平均溫度與設(shè)計(jì)溫度較為接近。這表明，當(dāng)送風(fēng)量相同時(shí)，改變送風(fēng)角度對(duì)溫度分布影響較小，降低送風(fēng)溫度并減小送風(fēng)量可滿足溫度要求。

圖6所示為不同送風(fēng)方案下各截面相對(duì)濕度對(duì)比。由圖可知，方案4的相對(duì)濕度低于設(shè)計(jì)要求，方案1，2，3的相對(duì)濕度分布差異較小，略高于設(shè)計(jì)要求。這表明，當(dāng)送風(fēng)量相同時(shí)，改變送風(fēng)溫度和角度對(duì)居住艙室相對(duì)濕度分布影響不大，降低送風(fēng)溫度和送風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致艙室內(nèi)相對(duì)濕度減小。

圖7所示為綜合分析艙室室內(nèi)空氣環(huán)境熱舒適性得到的各送風(fēng)方案的PMV值對(duì)比結(jié)果。由圖可知，除方案3外，其他3種送風(fēng)方案均滿足設(shè)計(jì)要求；方案3的平均PMV值小于-1，空氣環(huán)境微涼；方案4的平均PMV值更接近于0，空氣環(huán)境最適中。方案4各截面的PMV值云圖如圖8所示。從云圖分布可以看出，大部分區(qū)域的PMV值在-0.75～0.75范圍內(nèi)，分布比較均勻，熱舒適性適中；風(fēng)口附近的PMV值較低，這是由于風(fēng)口附近區(qū)域風(fēng)速較大，影響了熱舒適性。綜合來看，方案4的熱舒適性最好，因此適當(dāng)降低溫度和送風(fēng)量可以提高室內(nèi)空氣環(huán)境熱舒適性。

分析不同送風(fēng)方案對(duì)艙室室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。圖9給出了CO2濃度的對(duì)比結(jié)果。由圖可知，方案4的CO2濃度最高，其他方案的CO2濃度相差不大，4種送風(fēng)方案均滿足設(shè)計(jì)要求。送風(fēng)角度、溫度等對(duì)CO2濃度影響較小，而降低送風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致CO2濃度升高，因此，送風(fēng)量過小將使得艙室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)。

綜合4種送風(fēng)方案熱舒適性和空氣品質(zhì)的對(duì)比分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用方案4時(shí)氣流組織熱舒適性最好，CO2濃度雖然增加了但滿足設(shè)計(jì)要求，因此艙室內(nèi)的空氣環(huán)境舒適性更好。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用CFD方法對(duì)夏季工況下四人居住艙室的空氣環(huán)境舒適性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。通過改變送風(fēng)角度、送風(fēng)溫度和送風(fēng)量生成了4種送風(fēng)方案。根據(jù)空氣熱舒適性及空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析了4種不同方案的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明：采用散流器送風(fēng)，當(dāng)送、回風(fēng)方式為上送、下回且送風(fēng)角度分別為30°和45°時(shí)，對(duì)模擬結(jié)果的影響不大，可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整送風(fēng)角度；適當(dāng)減小送風(fēng)溫度和送風(fēng)量可降低體表吹風(fēng)感，提高氣流組織熱舒適性。

需注意的是，送風(fēng)溫度過低易導(dǎo)致結(jié)露，使艙室內(nèi)空氣相對(duì)濕度減小，從而降低氣流組織熱舒適性，而減小送風(fēng)量則會(huì)降低空氣流通性，使艙室內(nèi)CO2濃度升高。