变风量空调典型舱室气流组织数值模拟

李培铭，沈恒，曹辉

（1.海军装备部，北京 100071； 2.中船重工集团第704研究所，上海 200031）

0 引言

随着现代舰船功能多样化、复杂化、大型化、远洋化的深入发展，大型舰船内部设备众多、人员众多，是一个典型的复杂人-机-环系统，船员在这种复杂的环境下工作和生活，生活单调、工作压力大，易造成不适、精神不振、失眠等生理问题，因此舱室内部居住环境的进一步改善，是关系舰员身体健康和战斗力的重要因素之一。

变风量空调系统已经成为现代舰船空调系统发展趋势，由于变风量空调在运行时风量不断改变，舱室气流组织也发生较大变化，会偏离额定设计状态，使得舱室的气流分布造成很大的不确定性。在变风量空调系统中，风量变化导致风口送风特性的改变，这种改变通常要求送风口保持射程、气流速度、贴附效应和气流运动来得到补偿。然而，很多实例表明，大量的风口产品样本缺少在流量减少工况下的性能参数，给设计带来很多困难，常规的按照额定风量进行选型设计的方法，使得变风量系统在部分负荷工况下，送风速度减小，射流受到“浮升力”或是“下坠力”的影响，“冷风下坠”和“热风上浮”问题十分严重，导致局部不合理的温度、速度分布，对人体热舒适感觉影响很大。

文章以提高舰船居住舱室热舒适性为目标，并为变风量空调在舰船上应用提供指导，采用CFD软件对变风量空调舱室的气流组织进行模拟分析，选取三种典型居住舱舱室作为气流组织数值模拟对象，模拟变风量两种极限工况下的舱室气流组织，采用GB50736标准（GB50736标准V<0.25m/s）评价舱室气流组织。

图1 三种典型舱室物理模型

1 舱室物理模型与送风方式

三种典型舱室送风方式均采用贴顶平板射流上送风方式，回风方式为下回风方式。图1为三种典型舱室物理模型：套房舱室、两人舱室和四人舱室。

套房舱室房间模型尺寸为7.62m×4.3m×2.1m，分为办公室和卧室。套房办公室包含两个圆形顶送风装置、两个回风装置和办公桌椅等；套房卧室包含一个顶送风装置、通向洗手间的回风格栅、床和柜子等；办公室最大送风量为550m3/h、最小送风量为275m3/h；卧室最大送风量为130m3/h、最小送风量为85m3/h，舱室模型如图1(a)所示。

两人舱室房间模型尺寸为4.35m×4.35m×2.1m，舱室包含一个圆形顶送风装置、一个通向洗手间的回风格栅和布置门上的回风格栅、办公桌椅、床和柜子等。两人舱室最大送风量为300m3/h、最小送风量120m3/h，舱室模型如图1(b)所示。

四人舱室房间模型尺寸为4.35m×4.35m×2.1m，舱室包含两个圆形顶送风装置、一个通向洗手间的回风格栅和布置门上的回风格栅、办公桌椅、床和柜子等。四人舱室最大送风量为450m3/h、最小送风量240m3/h，舱室模型如图1(c)所示。

2 舱室数学模型与边界条件

空调室内的气流基本都是湍流，故文章采用湍流模型对室内气流组织的三维不可压缩湍流流动进行数值模拟。严格的讲，空调室内的气流运动都是非稳态的，对于变风量空调更是如此，然而我们最关心的是变风量空调室内在每一种工况下达到稳定状态后的气流组织，为了简化问题，假设在每种工况稳定后，气流做定常流动。文章假设流体为不可压缩流体，采用标准湍流流体模型计算。舱室内气体假设不可压缩气体且符合Boussinesp假设。舱室空气流动属于有限大空间紊流类型，因此采用工程实际中应用最广泛的k-ε双方程模型进行求解。对于不可压流动，笛卡尔坐标系下的湍流控制方程如下：

式(1)～(5)中：ρ是空气密度，t是时间，u、v和w分别是速度矢量在x、y和z方向上的分量，p是流体微元体上的压力；τxy、τxx和τxz等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量；Fx、Fy和Fz是微元体上的体积力，若体积力只有重力，且z轴竖直向上，则Fx=0，Fy=0，Fz=--ρg，Cp是比热容，T是温度，k为流体的传热系数，ST为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。

图2 最大风量套房舱室不同截面速度的分布图

图3 最大风量两人舱室不同截面速度的分布图

图4 最大风量四人舱室不同截面速度的分布图

图5 最小风量套房舱室不同截面速度分布图

图6 最小风量两人舱室不同截面速度分布图

图7 最小风量四人舱室不同截面速度分布图

舱室物理模型送风口边界条件均定义为速度入口，设置各送风口的速度和温度。由于k、ε难以测量和计算，此处可采用紊流强度与特性尺寸来定义紊流，鉴于入口处雷诺数较小，紊流强度设为2%，水力直径计算为200mm。回风口定义为压力出口边界条件，设置压强为大气压力，采用紊流强度与特性尺寸来定义紊流，鉴于出口处雷诺数较大，紊流强度设为5%，水力直径计算为300mm。

舱室四壁及地面均定义为对流热传导的热边界条件，围护结构内外表面传热系数为αw=37.5764W/(m2•℃)。舱室隔热材料为聚氨酯泡沫塑料，其导热系数λ=0.022W/(m•℃)，隔热层厚度δ=120mm。

3 数值计算分析

本节给出最大风量工况和最小风量工况下三种典型舱室室内气流模拟结果，并分析三种典型舱室内的相关参数能否满足舰船居住环境的舒适性要求。

图2～4所示分别为最大风量工况下套房舱室、两人舱室和四人舱室室内不同截面内的速度分布情况；图5～7所示分别为最小风量工况下的三种典型舱室室内的速度分布图。

三种典型舱室采用上侧送、异侧下回气流组织时，送出的空调风紧贴天花板流动。由于出风速度较高，诱导出风口附近的空气随着流动，这样整个空调气流层较厚，并且靠近铺板处的气流速度衰减较快，但是上铺由于距离顶部较近，该区域内的风速比较大，入射气流随着射程增加速度逐渐下降，温度逐渐升高，部分空气在重力作用下向下流动，大部分空气到达对面舱壁后由于舱壁的阻碍作用沿舱壁下移到达到排风口后产生分流，大部分气体直接排出舱外，小部分沿地面回流到舱内。

在最大风量工况下，由于套房舱室和两人舱室的床铺距离顶部较远，舱室上铺人体的吹风感不强，舒适性较好，顶部区域内的风速比较大。套房舱室办公处气流沿顶部向四周射出，气体再沿壁面下坠，工作区域气流速度在0.25m/s以下，冷气流的吹风对人体无影响。两人舱室在铺板之间的走道处气流下坠比较明显，在人员走动的空间范围内，气流速度在0.25m/s以下，冷气流的吹风对人体无影响。

四人舱室下铺人体的吹风感不强，由于上铺距离顶部较近，该区域内的风速比较大，在上铺板处接近0.3m/s，下铺的风速均在0.1m/s，上铺人员会有明显的吹风感，舒适性比中、下铺差。在铺板之间的走道处气流沿壁面下坠，在人员走动的空间范围内，气流速度在0.25m/s以下，冷气流的吹风对人体无影响。

在最小风量工况下，由于各个舱室送风量均比最大风量工况下要小，所以人体活动区内的气流速度均小于0.2m/s。

以上分析可知，不同工况下套房舱室、两人舱室和四人舱室气流组织分布，人体活动区域内的速度值小于0.25m/s，符合室内送风标准和人体舒适性的要求。

4 结论

套房舱室、两人舱室和四人舱室在最大风量工况下和最小风量工况下，送风装置送风速度分布为平行顶部而且向四周射流的速度分布，舱室内顶部区域内的速度偏大，但舱室内顶部区域非人体活动区域，不会影响到人体活动区域的速度分布，人体活动区域内的速度值小于0.25m/s，满足相关舱室气流组织舒适性要求，为变风量空调舱室气流设计提供了依据。

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