某船典型空调住舱气流组织的数值模拟

（海军研究院，上海 200235）

赵元松，代 星

关键字：船舶；空气调节；舱室；气流组织

0 引言

传统的气流组织分析往往是凭借个人对物理现象的理解，按经验进行单纯的合成（即线性近似），实际上由于各参数之间的相互影响，气流多为非线性现象。因此，单纯的线性合成是不科学的，再加上室内空气流动特征的复杂性和不确定性，纯理论分析存在较大困难，而传统的模型试验由于受到试验条件的限制，得出的经验或半经验公式也有很大的局限性[1]。计算机数值模拟法能够较为方便地模拟不同工况的气流组织情况，相比理论和试验方法具有独特优势，应用越来越广泛[2]。

CFD计算机流体分析软件可用于模拟分析具有复杂外形的流体流动和传热问题，广泛应用于空间流场的数值模拟[3-7]，即对流分布、温湿度、气体浓度的计算。Fluent 计算软件提供了完全的网格灵活性，用户可以使用非结构网格，对相对复杂的集合结构网格生成非常有效，可以生成网格包括二维的三角形和四边形网格，三维的四面体、六面体及混合网格，甚至可以用混合型非结构网格[8]。

空调舰员住舱是舰员生活、休息的场所，对温度、风速等舒适性要求较高。本文对某船典型空调住舱气流组织开展数值模拟分析，研究空调住舱舱室空间结构、气流组织机理及特点，利用CFD计算软件，研究建立典型空调住舱数值仿真模型，开展舱室气流组织的数值仿真分析，研究得到舱室温度分布、气流速度分布、以及空气置换情况，为舱室气流组织优化提供参考。

1 分析模型

1.1 物理模型

舱室气流组织的任务在于使经过各种处理的空气合理地分布到被调节的舱室，在与周围空气热、质交换的同时，保持受控区域内的空气温度、湿度、清洁度和风速处于预定的限度，主要与送风口的形式、数量、位置，回风口的位置，送风参数等有关。住舱空调通风气流组织一般采用上送下回的顶式送风方式，空调通风由布置在天花板上的布风器向舱内送入冷风（或热风），新风在舱室内扩散流动，与舱室空气进行热交换和混合置换，最后由舱门中的排气格栅排向舰船内部通道。

针对多人住舱开展仿真分析，物理模型如图1所示，采用顶式布风器送风，回风口为房门下侧的通风格栅和壁板上的排气扇，内部主要物品包括床铺、衣柜等，舱室内部结构复杂，在仿真建模中尽量完全反应舱室内结构的细节，但对流动影响不大的区域进行适当简化，将人体简化为一个长方体，回风格栅简化为矩形开口（仿真计算添加流动损失）。

图1 物理模型

1.2 数学模型

k-ε两方程模型是目前应用比较广的一种湍流模型，在暖通空调领域，采用k-ε双方程湍流模型优于其它模型。k-ε两方程模型是一个半经验的公式，但其形式简单、计算速度适中、计算精确度较好，在工程上又得到了普遍的验证。k-ε模型借助混合长度模型关于湍流粘度的假设建立湍流动能k和湍流耗散率ε之间的关系

1.3 边界条件

空调通风分析条件主要包括送风参数、出风条件、舱内发热情况、舱内物品对气流的引导和阻碍情况等，分别对应与仿真分析的空气进口、空气出口、热源、壁面4个边界条件设置。

1）空气进口。舱室空调通风主要控制进气风量和进气温度，符合速度进口特征，仿真空气进口采用速度进口（Velocity-inlet），根据舱室空调通风情况，进气气流速度一般为5 m/s，进气温度为20℃。

2）空气出口。舱室空气出口主要通过门下侧的排气格栅和排气扇排入走廊过道，气流通过排气格栅，有一定的流动阻力，符合outlet-vent 边界特征，故排气格栅采用outlet-vent 边界，排气扇采用排气扇出口（Exhaust fan）。

3）热源。舱室内主要热源来自人体散热，人体正常情况下发热功率约为65 W/人，散热主要通过人体表面空气对流换热传递，对流换热主要由换热面积和热流密度决定，故将体热源等效转换为面热源，表面热流密度约为42.76 W/m2。

4）壁面。壁面为气流无法通风的边界，对气流起导向和阻碍作用，墙、床、地板、办公桌、衣柜等与气流接触的表面符合壁面特征，将这些表面设置为壁面（wall）。

1.4 网格划分

模型网格划分采用非结构化网格进行划分，在送风口、回风口附近的流体速度梯度较大，对送风口、回风口分别进行局部网格加密。

2 气流组织数值仿真

2.1 仿真计算

利用k-ε方程求解，对计算模型作如下假设：

1）室内空气为不可压缩而且符合Boussinesq假设，即流体密度变化仅对浮升力产生影响。

2）流动为稳态湍流。

3）忽略固体壁面间的热辐射，室内空气为辐射透明介质。

4）流场具有高紊流Re数，流体的湍流粘性具有各向同性。

5）气流为低速不可压缩流动，可忽略由流体粘性力作功所引起的耗散热。

仿真计算具体设置如下：

1）湍流模型。k-ε三维湍流模型。

2）离散格式。压力为一阶迎风格式；温度为二阶迎风格式；动量为二阶迎格式。

3）亚松弛因子。压力为0.6；温度为1；动量为0.7；k为0.6；ε为0.6。

4）收敛准则。流动为1×10−3；能量为1×10−6。

2.2 仿真结果分析

进气风速为5 m/s，进气温度为20℃（293 K），通过仿真计算，得到通风粒子流动轨迹，以及流场和温度场分布情况，见图3。从通风粒子流动轨迹可以看出，布风器送入的空气在舱室内流动受到气流相互作用、舱壁、床等因素影响，在舱室内形成复杂的分布状态，在靠近舷壁侧的铺位之间的过道中，气流存在多次回流，送入的新风与舱内气流混合较充分；在2个双人床之间的过道上，左右两侧布风器送出的气流相互作用，使左侧布风器向右侧流动的气流方向发生改变，流向舷壁侧；同时右侧布风器送风的气流变向，由向左侧流动转向舱门侧流动，直至通过排气扇和排气格栅排出舱室。从空气置换角度来说，该气流组织方式左侧2个布风器的送风置换了舱室内大部分空间的空气，而右侧2个布风器主要置换小部分空间的空气，甚至有部分新风从房间顶部直接流向排气扇，未与舱室内部的空气充分混合，既不能通过热交换充分发挥温度调节作用，也不能置换舱室内的空气。

图2 舱室通风粒子流动轨迹

从图3和图4这个截面上的气流分布矢量图可以看出，来自送风管的空气通过布风器进入舱室内，布风器出口处气流主要在舱室上部流动，经过不同布风器气流的相互作用以及舱壁的阻碍作用，气流向下沉，进入人员休息和活动区。垂直方向气流速度变化较大，但气流速度梯度较大的位置主要集中在舱室上部，各床铺位置和过道上的气流比较均匀，主要在外侧3层铺位下面两层之间的流速较小，流速均不超过0.3 m/s。

图3 通过排气扇垂直截面气流分布矢量图

图4 通过排气格栅垂直截面气流分布矢量图

图5和图6分别给出了2个垂直截面上的温度分布云图。总体上靠近外侧的区域温度高于内侧区域，分析原因主要是布风器布置较靠近房间中部，外侧换热效果较差，特别外侧三层铺位的下面2层之间的流速较小，对流换热效果较差，使最下层铺位温度相对较高，但主要温差在2℃范围内，符合标准要求。布风器下部形成的回流，将人体散发出的热量向上输送，起到了较好降温效果。

图5 通过排气扇垂直截面温度分布云图

图6 通过排气格栅垂直截面温度分布云图

图7和图8分别给出了2个水平截面上的气流速度矢量图。从图7和图8中可以看出，在房间中下部，上下铺位之间的气流速度较小，而铺位之间的过道处气流速度相对较大，主要由于送风气流在舱室内主要是由上向下流动，床铺对气流的阻碍作用使气流主要集中在过道中。

图7 铺位之间水平方向气流分布云图

图8 铺位上方水平方向温度分布云图

图9 和图10 分别给出了2 个水平截面上的温 度分布云图。

图9 铺位之间水平方向温度分布云图

图10 铺位上方水平方向温度分布云图

其中Y＝0.85 m 的水平截面位于第一层铺位与第二层铺位之间，Y＝1.9 m 水平截面位于最上层铺位与房顶之间。从图8中可以看出，人体的热量使铺位周围的空气温度有所升高，外层铺位及过道的温度高于内侧。不同高度的铺位，对应的温度有所区别，上层铺位温度比下层的低。总体上人员休息和活动区域的温差在2℃以内。

3 结论

本文采用CFD方法对某船典型人员空调住舱空调通风气流组织进行了数值仿真模拟，建立典型舱室数值仿真模型，研究得到舱室内部气流流场分布和温度场分布情况，分析了舱室气流组织，可得出如下结论：

1）舱室内气流分布和循环未见局部死角，布风器送入的新风大部分排出舱室前与舱内气流混合较充分，基本符合空调通风要求，但排气扇靠近布风器射流区，有部分新风从房间顶部直接流向排气扇，未与舱室内部的空气充分混合，既不能通过热交换充分发挥温度调节作用，也不能置换舱室内的空气，排气扇位置应适当调整，避开射流区。

2）垂直方向气流速度变化较大，但气流速度梯度较大的位置主要集中在舱室上部，各床铺位置和过道上的气流比较均匀，主要在外侧三层铺位下面两层之间的流速较小，流速均不超过0.3 m/s；水平方向上，在房间中下部，上下铺位之间的气流速度较小，而铺位之间的过道处气流速度相对较大。

3）靠近舷侧的区域温度高于内侧区域，分析原因主要是布风器布置较靠近房间中部，外侧换热效果较差，特别外侧3层铺位的下面两层之间的流速较小，对流换热效果较差，使最下层铺位温度相对较高；不同高度的铺位，对应的温度有所区别，上层铺位温度比下层的低。