杨 勇，王 波,黄明喜，刘金华

(1.海军装备部驻上海地区军事代表局 驻上海地区第一军事代表室，上海201913；2.上海船舶工艺研究所，上海200032；3.烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

0 引 言

居住舱室作为船员休息的主要场所，其环境直接影响船员的居住舒适性及工作效率。船上工作环境窄小，活动范围受限，易出现疲劳、睡眠质量差和晕船等现象，这对船员居住舒适性提出了更高要求。

当前，CFD技术已成为舱室内气流组织研究的主要手段之一。郭宝坤等[1]采用CFD技术对冬季工况下船用布风器的射流流场进行数值分析。张卫东等[2]采用CFD技术，通过改变风量分配和风口形式等对舱室气流温度场和速度场进行数值模拟，并提出优化方案。李以通[3]通过建立舱室气流分布综合评价体系，对采用不同布风器送风情况下的室内气流分布进行综合评估，给出布风器选型的相关建议。亓海青等[4]采用CFD技术对某4人居住舱室夏季工况下室内风速、温度、相对湿度、CO2溶解度进行模拟分析，研究送风角度、送风温度和送风量对气流组织热舒适性及空气品质的影响。颜晓光等[5]利用Airpak对某舱室的热环境和气流组织进行模拟，并对舱室空气速度场和温度场进行计算分析，为舱室气流组织和舒适性改善提供支撑。

选取某船6人居住舱室为研究对象，利用CFD方法进行舱室内气流场模拟，对夏季不同送风工况下的气流速度和温度进行分析，并依据ISO 7730标准，以空气分布特性指标(Air Diffusion Performance Index,ADPI)[6]评价该舱室热舒适性，得到不同送风温度下的最佳送风量。

1 空气分布特性指标

人体表面对吹风感较为敏感，空气温度和风速不适宜会导致不舒适，一般用有效温差ΔET来判定舒适性。ΔET是反映空调区内空气温度和风速综合作用的舒适性指标，其定义为

ΔET=(ti-tn)-7.66(ui-0.15)

(1)

式中：ΔET为有效温差，K；ti为测点温度，K；ui为测点速度，m/s；tn为工作区温度，K。

ASHRAE 62-1989标准[7]规定，当测点处的ΔET在-1.7～1.1 K，且ui<0.35 m/s时，可认为此测点的温度和风速对于人体是舒适的。ADPI作为舒适度评价指标，可用于判断是否有吹风感，评价空气温度和风速对人体综合作用下的热舒适效果。其定义为工作区内满足-1.7 K<ΔET<1.1 K要求的点占总测点数的百分比，即

-1.7<ΔET<+1.1

(2)

当ADPI≥80%时，可认为该舱室内气流组织是令人满意的。

考虑到在居住舱室的主要活动是睡眠，根据上/下床铺的垂直高度，选取上/下铺垂直剖面上的监测点，再根据这些点的速度和温度值计算得到舱室内上/下铺ADPI，以此评估该居住舱室的热舒适性。

2 数值模拟

2.1 物理模型

研究对象为某船6人居住舱室，位于舷侧，但没有舷窗，室内有3张上/下铺床和3个双人衣柜。舱室设置2个布风器，每个布风器送风量为300 m3/h。舱室门上设有1个矩形出风口，尺寸为444 mm×546 mm，中心离二甲板0.4 m。布风器上端为静压箱，静压箱尺寸为500 mm×450 mm×150 mm，静压箱下方为圆形风管，风管尺寸为直径0.155 m，高0.06 m，风管下端设置圆形挡板，直径为0.255 m。

为了提高模拟速度，节省计算成本，在建模过程中进行适当简化，如图1所示。

图1 简化后的舱室模型

(1)将人体简化为1.7 m×0.4 m×0.2 m的立方体；

(2)将靠近舷侧的有船体型线曲度的舱壁简化为直壁；

(3)将风管适当简化为直筒及矩形管；

(4)将床下铺简化为立方体，上铺简化为一块连接舱壁的板，省去护栏。

2.2 网格划分

采用Hypermesh软件进行网格划分，采用非结构化四面体网格。首先建立基本模型，并进行网格粗划分，然后对送风口区域、静压箱附近区域和出风口区域进行局部加密处理，模型网格数量约65万个，网格模型如图2所示。

图2 舱室网格模型

2.3 控制方程

通风空调系统的气体流动速度较低，为不可压缩流体的定常流动，为了方便求解，对居住舱室内的气体流动进行合理假设：

(1)满足广义牛顿黏性应力相关公式；

(2)不考虑因流体黏性力做功而产生的耗散热；

(3)流场具有高湍流雷诺数；

(4)流体与热源间的换热为对流换热，不考虑辐射传热；

(5)舱室内气体流动为稳态湍流；

(6)除送风和回风口外，舱室具有良好的密闭性。

根据以上假设，其控制方程为

(3)

式中：Φ为通用变量；u、Γ、s分别为速度矢量、广义扩散系数和源项。

2.4 边界条件和求解模型

居住舱室的热量主要来自人体与外界的热量交换[8]。针对舱室实际情况，根据《船舶起居处所空调调节与通风设计参数与计算方法》(GB/T 13409-1992)对舱内传入热量进行计算。

(1)舱内传入热量

根据GB/T 13409-1992，舱内传入热量计算方法为

q=∑q1+∑q2+∑q3+∑qg

(4)

式中：∑q1为受到日晒的船舷、甲板及舱壁传入热量总和，W；∑q2为非空调舱室传入热量总和，W；∑q3为遮阳舱壁、甲板传入热量总和，W；∑qg为玻璃舱传入热量的总和，W；

① 受到日晒的船舷、甲板及舱壁传入热量公式为

q1=k1·A1·(td-tn)

(5)

式中：q1为受到日晒的船舷、甲板及舱壁传入热量，W；k1为传热面上相应隔热结构的传热系数，W/(m2·K)；A1为舱壁与外界传热面积，m2；td为舱外当量空气温度，℃；tn为舱内设计空气温度，℃。

根据GB/T 13409-1992，计算夏季送风工况时，取舱室外当量空气温度为50 ℃。

② 非空调舱室传入热量公式为

q2=k2·A2·Δt

(6)

式中：q2为非空调舱室传入热量，W；k2为非空调舱室与空调舱室相邻隔壁的隔热结构传热系数，W/(m2·K)；A2为相邻隔舱壁传热表面积，m2；Δt为相邻舱壁之间的温差，℃。

根据GB/T 13409-1992，计算夏季送风工况时，取走廊与空调舱室之间的温差为2 ℃，空调机舱与带空调舱室的温差为5 ℃，盥洗室与带空调舱室的温差为2 ℃。

③ 遮阳舱壁、甲板传入热量：根据舱室实际布置位置,不存在遮阳舱壁和甲板传热,所以q3取值为0 W。

④ 玻璃舱传入热量：根据舱室实际布置位置，没有舷窗，不存在玻璃舱传热，所以qg取值为0 W。

(2)人体发热量

人体发热量根据舱室内人数确定，等于人员数乘以每个人体的发热量。人体发热量公式为

qp=qps+qpt

(7)

式中：qp为人体发热量，W；qps为人体显热量，W；qpt为人体潜热量，W。

根据GB/T 13409-1992，当舱室内温度为27 ℃，舱室内人员处于休息或轻度活动状态时，人体发热显热量为55 W，潜热量为75 W。

经分析，得到各边界条件参数，具体设置如表1所示。

表1 边界设置

续表1 边界设置

采用稳态模拟计算，选择Realizablek-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解压力和动力方程，采用标准壁面函数法处理近壁面区的流动，压力采用Standard离散格式，其他参数采用二阶迎风格式。收敛条件设置为能量残差10-6，各向速度k-ε残差设为10-3。

3 数值模拟结果及热舒适性分析

3.1 计算工况

结合该舱室可能存在的送风状态，选择夏季空调送风温度为16～19 ℃，各个布风器送风量为150～350 m3/h。夏季计算工况设计如表2所示。

表2 夏季计算工况

3.2 计算结果与分析

由于人员在居住舱室内的大部分活动是睡眠，主要对舱室内上/下床铺气流速度场、温度场进行分析。根据舱内床铺(上/下铺)的垂直高度，选取典型垂直剖面z=0.5 m(下铺)和z=1.5 m(上铺)进行评估。

计算得到不同工况下舱室内气流速度分布、上/下铺气流速度场和温度场。根据所有工况的计算结果，得出不同送风温度下的气流速度、温度、ADPI与送风量之间的关系。

以下仅以送风温度为19 ℃、送风量为300 m3/h的工况为例，给出该工况下舱室气流速度、上/下铺气流速度场和温度场。

(1)舱室气流速度分布。从图3可以看出，整个舱室气流速度低且分布较均匀，仅在进风口和出风口处的速度较大。

图3 舱室内气流速度矢量图

(2)上/下铺气流速度场分布。由图4可以看出，舱室上/下铺范围内大部分区域速度场分布较均匀，风速低于0.1 m/s。此外，下铺的空气流速低且分布更均匀。

(3)上/下铺温度场分布。由图5可以看出，舱室内上/下铺范围内大部分区域温度分布较均匀，平均温度为300 K(27 ℃)。右侧靠近墙角处温度稍偏高，主要是因该处靠近烘衣柜室，且离布风器位置较远；左舱壁附近温度稍偏高，主要是因该处靠近舷侧，但整体温度处于27 ℃附近。

针对不同送风温度和送风量生成的20种送风方案，通过计算得到各送风方案下舱室内气流速度、舱内温度和ADPI。通过分析20种方案的结果，得到舱内上/下铺平均温度及ADPI与送风量之间的关系。

(1)送风温度为16 ℃。由图6和图7可以看出，当送风温度为16 ℃时，从舱室舒适性指标角度考虑，各布风器的送风量控制在150～225 m3/h范围内为宜。

图4 舱室内上/下铺气流速度场

图5 舱室内上/下铺温度场

图 6 送风温度为16 ℃时舱内上/下铺平均温度

图7 送风温度为16 ℃时舱内上/下铺ADPI

(2)送风温度为17 ℃。由图8和图9可以看出，当送风温度为17 ℃时，从舱室舒适性指标角度考虑，各布风器的送风量控制在175～250 m3/h范围内为宜。

图8 送风温度为17 ℃时舱内上/下铺平均温度

图9 送风温度为17 ℃时舱内上/下铺ADPI

(3)送风温度为18℃。由图10和图11可以看出，当送风温度为18 ℃时，从舱室舒适性指标角度考虑，各布风器的送风量控制在200～275 m3/h范围内为宜。

图10 送风温度为18 ℃时舱内上/下铺平均温度

图11 送风温度为18 ℃时舱内上/下铺ADPI

(4)送风温度为19 ℃。由图12和图13可以看出，当送风温度为19 ℃时，从舱室舒适性指标角度考虑，各布风器的送风量控制在225～350 m3/h范围内为宜。

图12 送风温度为19 ℃时舱内上/下铺温度

图 13 送风温度为19 ℃时舱内上/下铺ADPI

综合20种工况的热舒适性对比分析结果，得到不同送风温度下适宜的送风量，但具体送风量还需兼顾该舱室新鲜空气的需求。

4 结 语

采用Fluent对夏季工况下某6人居住舱室的空气环境舒适性进行数值计算。对比分析了20种工况的数值计算结果。研究结果表明：

(1)根据数值模拟结果，通过ADPI评价居住舱室内活动区域的气流组织情况，可得到不同送风温度下最佳送风量范围。

(2)根据速度场、温度场数值仿真结果，可掌握详细的流场分布情况，较为准确地反映出舱室内空气流动的细节。

(3)利用CFD方法可充分掌握舱室内的环境参数特性，进而对各参数进行合理有效的控制，更好地指导居住舱空调通风设计。