不同空调送风形式下船舶舱室舒适性数值模拟

2017-12-01曾静

福建质量管理 2017年21期

关键词：气流组织舱室壁面

曾静

(重庆交通大学航运与船舶工程学院重庆 400074)

不同空调送风形式下船舶舱室舒适性数值模拟

曾静

(重庆交通大学航运与船舶工程学院重庆 400074)

船舶舱室乘员的身体状况和工作效率直接决定着船舶驾驶的安全，所以需要在舱室内建立合适温湿度环境来保证乘员的舒适度，而室内空气流动对于热舒适影响非常大，本文将对一个简单的舱室模型进行不同送风形式的CFD模拟，以说明不同空调送风对于舱室内热舒适的影响，这将有助于船舶空调系统的设计。

船舶空调;送风形式;舒适度;CFD

引言

随着我国经济的不断发展，使得我国船舶建造技术飞速发展，随之而来的是人们对于船舶居住环境的要求也越来越高。对于陆地上的建筑，环境热舒适性的评价使用的是PMV(Predicted Mean Vote 预测平均满意度)，而室内的空气温度和风速对于PMV的大小起着至关重要的作用，目前研究室内空气流动对于环境的影响基本上都集中在地面建筑，如徐丽[1]等运用CFD模拟方法，对比了上进上出、侧进侧出和置换通风三种送风方式下室内热环境状况，雒婉等[2]通过四种不同的送风方式比较室内的热湿环境。而对于船舶舱室内的空调气流组织的研究却少之又少。

本文将尝试通过CFD软件对船舶舱室在不同送风形式下的热湿环境进行模拟，以说明舱室内不同的气流组织形式对于室内舒适度的影响。

一、舱室模型建立

由于船舶是运动的，所以对于舱室和建筑房间模型的不同在于外围护结构外表面对流换热系数的不同，所以对于舱室外围护结构的传热系数需要按照船舶的运动速度重新进行计算。

(一)舱室物理模型

本文选取上海海事大学教学实习船育峰轮的学生居住舱室为模型(见图1)。舱室在六层甲板，高为2.1m,长为3.6m，宽为3.3m。室内设计温度为25℃，湿度为50%；舱壁A为外舷，在壁面上有一半径为0.25m的圆型双层真空玻璃；舱壁B,C,D和楼板E、F为内壁，在C壁上有一尺寸为1.9m的彩钢板液压门，外侧温度为27℃；楼板F外侧为机舱，外侧温度为45℃；舱室内有一位船员，船速恒为12m/s。舱外温度为35℃。

图1 舱室模型

(二)舱室热工计算

为了便于说明壁面的传热系数K计算过程，下面以图2为例进行计算；假设壁面为n层，每层导热系数为λi,外侧换热系数为hw,内侧换热系数为hn。

1)通过下式计算壁面导热热阻Rr。

(1)

2)壁面与外界之间的对流换热属于外略平板，通过下式计算壁面内外侧对流换热和热阻Rnh, Rwh。

h=0.664λRe0.5Pr0.33/l

(2)

Rh=1/h

(3)

其中:Re为雷诺数，Pr为普朗特数,l为壁面特征尺寸。

3)通过下式计算壁面传热系数K，壁面材料和计算结果见表1。

(4)

表1 壁面参数

图2 舱壁结构示意图

二、舱室环境数值模拟

通过Airpak软件对上文建立的模型分别进行侧送侧回、散流器平送侧回两种气流组织的CFD数值模拟。

(一)边界条件设置

1)太阳辐射强度I选取日照射最强时的最不利情况，为210W/m2；

2)壁面设置为对流换热边界条件，A壁面综合温度可以通过下式计算：

Tz=Tw+aI/hW

(5)

其中:Tw为室外温度，α为壁面吸收系数为0.65-0.72；

hw为外表面对流换热系数。

3)窗户设为热流边界条件，为太阳辐射强度；

4)室内人员为静座，产热量为108W。

5) 设备和灯光产热量为35 W/m2；

6)两种形式的窗口有效面积都为0.08m2,送风速度为1m/s，送风温度为16℃，湿度为50%。

(二)模拟结果分析

计算结果见图3。

图3 上排为侧送，下排为散流器平送(从左到右 1m高温度云图，1m高相对湿度)

从结果可以看出两种送风方式都能满足舱内温湿度要求，不同的是温湿度分布稍有区别，侧送方式温度分布比较均匀，只在送风口附近温度比较低，平均温度在25.4℃左右；相对湿度分布均匀，在43%-50%内。散流器平送，温度分布分为两块，在回风口附近会出现24℃左右的低温，其余位置温度在26.2℃左右，平均温度将会比侧送风要高1℃左右；相对湿度与温度分布类似，主要分布在40%-47%，比侧送低，这也与相对湿度与温度变化成反比相符。