舰船典型舱室气流组织数值模拟

权崇仁，王洋，于立庆，陈乾，谢军龙

1海军装备部驻沈阳地区军事代表局，辽宁沈阳110031

2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

3大连船舶重工集团有限公司，辽宁大连116011

4华中科技大学建筑环境与能源工程系，湖北武汉430074

舰船典型舱室气流组织数值模拟

权崇仁1，王洋2，于立庆3，陈乾4，谢军龙4

1海军装备部驻沈阳地区军事代表局，辽宁沈阳110031

2中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

3大连船舶重工集团有限公司，辽宁大连116011

4华中科技大学建筑环境与能源工程系，湖北武汉430074

针对舰船舱室空调系统的末端形式不同于民用建筑空调系统末端形式的特点，提出对采用布风器方式的舰船舱室的气流组织形式进行研究。采用计算流体动力学（CFD）技术，建立实船典型两人舱室的数值试验模型，根据舰船的实际边界条件对该舱室夏季设计工况和冬季设计工况下的气流组织进行数值模拟计算，并对典型截面的速度场及温度场进行分析。模拟结果表明：在夏季设计工况下，虽然布风器周围风速较高、温度较低，但舱内人员活动区域速度场分布较均匀，舱内风速小于0.3 m/s，温度场分布也较为均匀，温度约为26～27℃；在冬季设计工况下，除布风器周围风速较高、温度较高外，舱室大部分区域风速较低，小于0.2 m/s，温度约为20℃。无论是夏季还是冬季设计工况，采用布风器末端形式的典型两人舱室人员活动区域内的气流速度及温度均满足舒适性标准要求，结果验证了该典型舱室空调系统布置的合理性。

舰船舱室；布风器；数值模拟；气流组织；计算流体动力学

0 引 言

与民用船舶相比，军用舰船舱室相对封闭、空间狭小，且人员众多、设备复杂，极易造成空气污染，危害舰员身心健康，影响舰船战斗力的发挥［1］。舱室内的空气环境包括热湿环境和空气品质（IAQ），合理的通风组织是良好室内热湿环境和空气品质的根本保障［2］。因此，针对舰船舱室特点，改进舰船空调系统设计和优化系统运行策略，提高舰船舱室空气品质，对舰船空调设计有着重要的实际意义［3］。

目前，世界造船业已经逐步进入更高层次的“数字化”阶段，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造等全过程［4］。计算流体动力学（CFD）技术已被广泛应用于气流组织模拟及舱内环境的研究。Liu［5］采用Airpak软件模拟船舶舱室在不同送、回风形式下的舱内环境，得出下送风的空调送风形式有较好的效果。但在该文献中并未明确送、回风口的型式。梁彦超［6］对机舱热环境进行了数值模拟分析，并针对舱内的高温区域提出了通风系统的优化措施。周俊男［7］采用CFD软件对士兵居住舱室进行了3种不同气流组织形式的数值模拟，并得出适合该舱室的气流组织形式。但在该研究中采用的送风口为散流器方式，而在实际的舱室中一般采用布风器方式。

布风器和散流器的对比如图1所示。散流器被广泛应用于民用建筑的空调系统，而布风器则被广泛应用于船舶空调系统。两者虽然都是送风末端装置，但在送风形式上有所区别，布风器的送风气流在下底板的阻碍作用下，呈水平方向沿四周散射出去；散流器的送风气流在导流板的作用下，呈斜向下方向沿四周送风。船舶空调系统常用布风器主要是由于船舶舱室空间一般比较低矮。

图1 送风末端对比Fig.1 Comparison of air terminals

本文将对采用布风器的舰船典型两人舱室气流组织进行仿真模拟，并分析该舱室的速度场分布和温度场分布，用来证明采用布风器方式的典型舱室大部分区域速度场及温度场分布较为均匀，能够满足我国舒适性空调调节室内设计标准。

1 舰船舱室描述

舰船舱室平面图如图2所示，三维立体图如图3所示。舱室长4.8 m，宽4.8 m，高2.5 m，总体积为57.6 m3。舱室设置2个布风器送风，每个布风器的送风量为250 m3/h，总送风量为500 m3/h，换气次数为8.7次。舱室门上设有1个矩形回风口，尺寸为500 mm×400 mm，下边缘距下甲板高度为0.15 m。

图2 舱室俯视平面示意图Fig.2 Schematic planform of the cabin

图3 舱室三维图Fig.3 Three-dimensional model of the cabin

布风器如图4所示（尺寸单位：mm）：上端为静压箱，静压箱尺寸为0.45 m×0.45 m×0.16 m；静压箱下方为圆形风管，风管尺寸为直径0.16 m，高0.06 m；出风口处设置2块挡板，上层挡板为方形，尺寸为0.26 m×0.26 m，下层挡板为圆形，直径为0.24 m，上、下挡板间的竖向距离为0.02 m。送风经过静压箱，再经垂直风口，吹到水平挡板后形成水平圆周出流。布风器送风口距离地板（即舱室底部）的高度为1.92 m。

图4 布风器尺寸图Fig.4 Size of the air distributor

2 舱室数值模拟模型

在舱室数值模拟过程中，需要保证流体流动都符合质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，故一般将连续性方程、动量方程、能量方程称为控制方程。

连续性方程、动量方程（仅给出x方向）及能量方程表达式为：

式中：u，v，w分别为流体在x，y，z坐标方向上的速度分量；ρ为流体密度；p为流体微元上的压力；Su为x方向上动量守恒方程的广义源项；∂(ρE)/∂t为能量非稳态项；div·(ρEV)为对流项；ρf·V为体积力做功；-div·(pV)为压力做功；div·(τ·V)为粘性力做功；div·(kdivT)为导热项；SE为源项。

本研究根据模拟舱室的布置、送排风口具体设置和热湿负荷，采用GAMBIT进行典型舱室的流体域数值模型几何建模，采用FLUENT对该模型进行数值求解。采用有限体积法，将待解的微分方程对每个控制体积积分并得到关于各节点上温度（或者速度、热流等其他因变量）的离散方程，求解离散方程组就可以得到相关的量［8］。采用Tecplot进行后处理。

3 计算模型假设及边界条件

建立典型舱室的流体域数值试验模型，以布风器为中心向外围逐渐划分不同区域并进行网格加密。本舱室共划分非结构化网格60万个，对布风器周围划分6个不同的加密区域，由布风器出口向周围网格逐渐稀疏。布风器出口处划分10层网格，网格尺寸最小为0.2 mm；模型中不需要进行加密的区域，即舱内大部分区域，最大网格尺寸为200 mm。图5为网格划分示意图（60万网格），图6为舱室布风器附近区域网格划分图。

图5 舱室网格划分图Fig.5 The schematic mesh plan of cabin

图6 舱室布风器附近网格划分图Fig.6 The zoom of meshing near the air distributor

舱室空间的空气流动是自然对流和强迫对流共同作用形成的混合湍流流动。由于实际舱室内的设备布置、空气流动和传热非常复杂，因此需要对舱室内的空气流动及模型做相关合理的假设以便进行求解：

1）舱室内的流动为低速流动，可视为不可压缩流体；

2）舱室内的流体属于牛顿流体，表面应力满足广义牛顿粘性应力公式；

3）流场具有高湍流雷诺数，流体的湍流粘性系数具有各向同性；

4）由于气体流动为低速不可压缩流动，可忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热；

5）考虑舱室流场为稳态，可忽略时间项的影响；

6）假定舱内设备工况稳定，向周围空气放出的热量通过定义的边界均匀或局部地进入流体区域，将流体与固体接触面上的换热转化为纯流体的加热或对流换热，不考虑辐射传热；

7）舱室为密闭空间，也即在送风口处流入计算区域，在回风口处流出计算区域，确保空气不会从别处流进或流出计算区域。

舱室模拟分夏季工况与冬季工况。室内设计参数及送风参数等如表1所示。室内热扰包括人员和照明，将室内热扰折合成单位面积热流指标添加到地板上，取典型舱室人员为2人，人员负荷即单人全热负荷为130 W［9］，舱室内照明面积指标为11 W/m2，室内总热扰513 W，地板单位热流指标为22.3 W/m2。其余侧壁与相邻空调区域没有热量交换，设置为绝热壁面。单个布风器的送风量250 m3/h。布风器送风管截面设置为速度进口边界，速度为3.46 m/s。送风温差为9℃。舱室通风口设置为压力出口边界。模拟计算模型选择标准k-ε模型，考虑重力的影响。模拟收敛条件设置为能量残差10-6，各向速度及k-ε残差为10-3。

表1 模拟计算参数Tab.1 Parameters of simulated calculation

本文进一步分析了网格划分的疏密对模拟结果的影响。表2为冬季工况下不同网格数量（即40万、60万和150万）对计算结果的影响。网格总量为60万和150万的2次模拟结果较为接近，网格总量为40万的模拟结果与另外2个模拟（即60万与150万网格）结果有所不同，其原因是网格总量为40万时，布风器周围网格尺寸较大，不如60万和150万网格时网格紧密。考虑到模拟精确性及计算机性能与效率，本文采用了60万网格进行夏季工况及冬季工况的详细模拟。

表2 网格疏密对模拟结果的影响Tab.2 Effects of meshing on simulation results

4 模拟计算及结果分析

分夏季和冬季2个设计工况对该模型进行数值模拟，并将数据进行后处理。对典型截面的速度场和温度场分布进行分析。考虑的典型截面为：截面1为通过典型舱室内2个布风器中心的垂直截面；截面2为0.6 m高处平面截面（坐姿时膝盖高度约为0.6 m）；截面3为1.4 m高处平面截面（坐姿时头部高度约为1.4 m）。

4.1 夏季设计工况

夏季工况下，各截面舱室速度场分布云图分别如图7～图9所示。由截面1舱室速度场分布云图（图7）可以看出，送风经垂直风口吹到水平挡板后形成圆周出流，出流方向为斜上方。垂直方向上，布风器周围风速较高，舱室下部气流速度较低且分布均匀，风速在0.1～0.2 m/s之间。截面2舱室速度场分布云图（图8）显示，在人员坐姿时膝盖高度所在的水平面上，舱室大部分区域速度场分布很均匀，风速在0.1 m/s左右，只有靠近出风口处的风速较高，大于0.3 m/s。截面3舱室速度场分布云图（图9）表明，在人员坐姿时头部高度所在的水平面上，除壁面夹角附近有小部分区域速度较大，约为0.4 m/s外，舱室绝大部分区域风速在0.1 m/s左右。

图7 截面1速度场分布（夏季工况）Fig.7 The distribution of velocity field for section 1（summer）

图8 截面2速度场分布（夏季工况）Fig.8 The distribution of velocity field for section 2（summer）

图9 截面3速度场分布（夏季工况）Fig.9 The distribution of velocity field for section 3（summer）

不同截面舱室温度场分布云图如图10～图12所示。由截面1舱室温度场分布云图（图10）可以看出，由于布风器送风温度为18℃，导致布风器周围温度较低，垂直方向上，舱室上部空气温度低于下部，上部空气温度在22～24℃之间，下部空气温度在26～27℃左右。截面2舱室温度场分布云图（图11）显示，在人员坐姿时膝盖高度所在的水平面上，舱室大部分区域温度场分布比较均匀，空气温度在26～27℃之间。截面3舱室温度场分布云图（图12）表明，在人员坐姿时头部高度所在的水平面上，舱室温度场分布也较均匀，空气温度在25～27℃之间。

图10 截面1温度场分布（夏季工况）Fig.10 The distribution of temperature field for section 1（summer）

图11 截面2温度场分布（夏季工况）Fig.11 The distribution of temperature field for section 2（summer）

图12 截面3温度场分布（夏季工况）Fig.12 The distribution of temperature field for section 3（summer）

通过不同典型截面舱室速度场分布云图及温度场分布云图可以看出，夏季设计工况下，舱室大部分区域的速度场分布较为均匀，速度较低，满足我国舒适性空调调节室内设计标准［10］。夏季室内风速不大于0.3 m/s的要求；舱室大部分区域温度场的分布较均匀，温度约为26～27℃，满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22～28℃［10］。布风器周围及舱室回风口处风速较高，约为0.7 m/s；布风器周围温度较低，在19～21℃之间。

4.2 冬季设计工况

冬季工况下，各截面舱室速度场分布云图如图13～图15所示。该工况下不同典型截面舱室速度场分布与夏季工况下的舱室速度场分布相似。舱室大部分区域速度场分布较为均匀，速度较低，满足我国舒适性空调调节室内设计标准冬季室内风速不大于0.2 m/s的要求。布风器周围及舱室回风口处风速较高，约为0.7 m/s。另外，局部区域（如墙角处）风速偏高。

图13 截面1速度场分布（冬季工况）Fig.13 The distribution of velocity field for section 1（winter）

图14 截面2速度场分布（冬季工况）Fig.14 The distribution of velocity field for section 2（winter）

图15 截面3速度场分布（冬季工况）Fig.15 The distribution of velocity field for section 3（winter）

各截面舱室温度场分布云图如图16～图18所示。由截面1舱室温度场分布云图（图16）可以看出，由于布风器送风温度为27℃，导致布风器周围温度较高，再加上热空气上升的缘故，垂直方向上，舱室上部空气温度高于下部，上部空气温度在21～22℃之间，下部空气温度在在19～20℃之间。截面2舱室温度场分布云图（图17）显示，在人员坐姿时膝盖高度所在的水平面上，舱室大部分区域的温度场分布比较均匀，空气温度在19～20℃之间，而截面图下方壁面为暴露侧壁，外侧温度仅为-18℃，导致暴露侧壁附近空气温度低于其他区域空气温度，低于18℃。截面3舱室水平温度场分布云图（图18）表明，在人员坐姿时头部高度所在的水平面上，舱室大部分区域温度场分布也比较均匀，在19～20℃之间。

通过不同典型截面舱室温度场分布云图可以看出，冬季设计工况下，舱室大部分区域温度场分布非常均匀，温度约为20℃，满足我国舒适性空调调节冬季室内设计标准范围18～24℃［10］。布风器周围温度较高，在24～26℃之间。舱室下部暴露侧壁附近的空气温度低于18℃。

图16 截面1温度场分布（冬季工况）Fig.16 The distribution of temperature field of section 1（winter）

图17 截面2温度场分布（冬季工况）Fig.17 The distribution of temperature field of section 2（winter）

图18 截面3温度场分布（冬季工况）Fig.18 The distribution of temperature field for section 3（winter）

5 结 语

本文建立了采用布风器进行空调送风的舰船典型两人舱室的流体域数值试验模型，进行了数值模拟计算。通过对典型截面的速度场及温度场的分析，结果表明，无论是在夏季设计工况还是冬季设计工况，舱内人员工作区的舱室大部分区域速度场分布较为均匀，速度较低，小于0.3 m/s，满足我国舒适性空调标准给出的速度要求。虽然布风器出口附近速度较高，达到了0.7 m/s，但位于舱内人员活动区以上。在夏季设计工况下，舱室大部分区域温度场分布较为均匀，温度约为26～27℃；在冬季设计工况下，舱室大部分区域温度场分布也很均匀，温度约为20℃，均满足舒适性空调标准。通过数值模拟计算，验证了典型舱室空调系统布置的合理性。

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［责任编辑：喻菁］

Numerical simulation of the air distribution in a typical ship cabin

QUAN Chongren1，WANG Yang2，YU Liqing3，CHEN Qian4，XIE Junlong4
1 Shenyang Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Shenyang 110031，China

2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

3 Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Dalian 116011，China

4 Department of Building Environment and Energy Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

This paper presents a study of the air distribution of a typical two-person ship cabin with air dis⁃tributors being the air terminal due to the fact that the air terminal forms used in ship cabins are very differ⁃ent from those used in air-conditioning systems in civil buildings.The fluid-domain model of the typical two-person ship cabin is developed by using CFD technology,and the air distribution under the summer de⁃sign condition and the winter design condition are both simulated by imposing the coincident boundary con⁃ditions of the real ship,and the velocity and temperature fields of typical sections of the ship cabin are ana⁃lyzed.The simulation results show that under the summer design condition,the velocities and temperatures close to the air distributor are relatively high and low,respectively,while in the occupation area,the veloci⁃ty distribution is basically uniform,and the values are less than 0.3 m/s.The temperature distribution is al⁃so basically uniform,and the temperatures are about 26～27℃.Under the winter design condition,the air velocities in most areas are relatively low(less than 0.2 m/s),and the temperatures are approximately 20℃, except for that the velocity and temperature are relatively high around the air distributor.In brief,the pre⁃sented conditions successfully meet the comfort requirements under both the summer design condition and the winter design condition.The result further demonstrates the reasonability of the air-conditioning sys⁃tem designed for typical ship cabins.

ship cabin；air distributor；numerical simulation；air distribution；CFD

U664.86

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.016

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.032.html期刊网址：www.ship-research.com

权崇仁，王洋，于立庆，等.舰船典型舱室气流组织数值模拟分析［J］.中国舰船研究，2015，10（6）：107-113. QUAN Chongren，WANG Yang，YU Liqing，et al.Numerical simulation of the air distribution in a typical ship cabin［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：107-113.

2015-03-23 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2015-11-10 10:26

国家部委基金资助项目

权崇仁，男，1982年生，硕士，工程师。研究方向：装备质量管理王洋（通信作者），男，1981年生，硕士，工程师。研究方向：船舶空调通风。E-mail：philips_king@163.com