杜红霞，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



舰船典型集体防护区域舱室环境数值模拟

杜红霞，王俊新

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

为优化集体防护区域舱室环境，采用流体计算仿真软件Airpak对典型集体防护区域进行数值仿真计算，通过设置合理的设计参数、建模并划分网格，得到集体防护区域压力场、速度场和温度场分布，计算结果表明，集体防护区域内超压值分布合理，舱室温度、风速符合人员生活、工作的舒适性要求。

集体防护区域；舱室环境；数值模拟

核生化条件下，水面舰船集体防护系统利用滤毒通风装置滤除外界空气中含有的放射性灰尘、生物战剂、毒剂气溶胶及蒸气后，将洁净空气送入集体防护区域内，与其周界上的超压控制设备协同[1]，在集体防护区内建立一定的超压，阻止外界环境中核生化污染物进入集体防护区，使舰员在无需佩戴个人防护装备的情况下完成作战任务。集防区内舱室压力、温度、气流速度分布直接影响集体防护的效果和人员的舒适性，目前空调舱室的数值模拟已经成为常见的设计验证手段，但是集防区舱室的数值模拟尚未见报道。本文利用流体计算仿真软件Airpak对集体防护区域内压力场、温度场、速度场进行仿真计算，为集体防护区域气流组织提供参考。

1 典型集体防护区域设计参数

选择典型集体防护区(见图1)进行气流组织仿真研究，该区域长26 m、宽12 m、高2.4 m，共11个空调舱室，21个布风器。布风器向舱室内送风，一部分通过回风口排出；另一部分通过排风口(模拟超压泄放阀)排出，排风口的允许排出压力是500 Pa，以此保证区域内始终有500 Pa的正压。

该集体防护区设定有一个回风口和一个排风口，送风总量为4 500 m3/h，回风量为4 000 m3/h，排风量为500 m3/h。布风器风口直径为80 mm，排风口直径为200 mm；回风口尺寸为1 000 mm×1 000 mm。区域边界上的门均设为关闭，内部的门均设为开启，各舱室房门尺寸为1 700 mm×600 mm；外壁和天花板均设为绝热，内壁传热系数K为0.92 W/(m2·k)，厚度为0.003 m。布风器上端为静压箱，静压箱下方为风管，出风口处设置两侧挡板，上层挡板为方形，下层挡板为圆形，房间内布风器结构和尺寸见图2。

2 计算模型假设及边界条件

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，属于湍流流动。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做相关合理假设以便进行求解[2-6]。

1)在模拟的过程中需要对设备家具及人员等的形状进行简化，如简化为六面体等，与空气接触面均匀发热。

2)舱室为密闭空间，也就是说在送风口处流入计算区域，在出风口处流出计算区域，这就确保空气不会从别处流进或流出计算区域。

3)需要考虑送风与室内的温差。单个布风器送风量250 m3/h，考虑夏季工况进行模拟计算，参数见表1。

4)侧壁传热系数1.57 W/(m2·k)，外壁面夏季49 ℃；顶板传热系数为1.39 W/(m2·k)，外壁面温度夏季为61 ℃。

表1 模拟计算参数

5)热负荷包括人员和灯光，单个人员全热负荷取为130 W，照明负荷取11 W/m2，不考虑设备负荷。为简化模型，将人员负荷和灯光负荷直接添加到空调舱室地板。

3 湍流模型及网格划分

对于舱室的流动，属于湍流状态，故采用标准k-ε湍流模型。AirPAK采用六面体非结构化(Hexa unstructured)网格划分方法。首先建立基本模型，并进行网格粗划分。然后进行局部加密[7-11]。主要加密处有3处：

1)加密布风器两挡板间薄层区域。主要是针对垂直方向上，保证2挡板间有至少5层以上的网格。

2)静压箱附近区域加密。此加密较为简单，只需将箱体3个方向上的网格数同时加密即可。

3)进风口加密。对圆形进风口进行加密。为使空气出流平均，需要保证直径范围内网格层数在10层以上。

网格总量约为400万，布风器附近区域网格划分如图3所示。

4 模拟结果

对模拟结果提取3个典型高度截面的压力场、速度场和温度场分布，模拟结果见图4。

模拟结果表明，除密闭舱室外，其余房间正压基本在510～520 Pa之间，回风口所在舱室正压略低于其他房间；除回风口附近速度较大，其余房间风速基本满足我国舒适性空调调节室内设计标准夏季室内风速不大于0.3 m/s的要求；各房间温度互有差异，这是由于各空调房间内人员热负荷不同造成的，但各房间基本满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22～28 ℃。

5 结论

采用流体计算仿真软件Airpak，对典型集体防护区域进行数值仿真计算，通过设置合理设计参数、建模并划分网格，得到了集体防护区域压力场、速度场和温度场分布，模拟结果表明，集体防护区域内超压值分布合理，舱室温度、风速符合人员生活、工作的舒适性要求。流体计算仿真计算作为一种新型的设计辅助手段，可为集体防护区域气流组织提供重要的参考和优化建议。

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Numerical Simulation of Cabin Environment in Warships Typical Collective Protection District

DU Hong-xia, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

To optimize cabin environment of collective protection district, numerical simulation was carried out for the typical collective protection zone using fluid calculation software Airpak. The pressure field, velocity field, temperature field of the collective protection area was obtained by setting reasonable design parameters and modeling. The simulation results show that the distribution of overpressure in the collective protection area is reasonable, the compartment temperature and wind speed can meet the personnel life and work comfort requirements.

collective protection district; cabin environment; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.029

2017-03-07

杜红霞(1984—)，女，博士，工程师

研究方向：船舶保障系统设计

U698

A

1671-7953(2017)03-0125-03

修回日期：2017-03-27