權崇仁，王洋，于立慶，陳乾，謝軍龍

1海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧沈陽110031

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

3大連船舶重工集團有限公司，遼寧大連116011

4華中科技大學建筑環(huán)境與能源工程系，湖北武漢430074

艦船典型艙室氣流組織數值模擬

權崇仁1，王洋2，于立慶3，陳乾4，謝軍龍4

1海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧沈陽110031

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

3大連船舶重工集團有限公司，遼寧大連116011

4華中科技大學建筑環(huán)境與能源工程系，湖北武漢430074

針對艦船艙室空調系統(tǒng)的末端形式不同于民用建筑空調系統(tǒng)末端形式的特點，提出對采用布風器方式的艦船艙室的氣流組織形式進行研究。采用計算流體動力學（CFD）技術，建立實船典型兩人艙室的數值試驗模型，根據艦船的實際邊界條件對該艙室夏季設計工況和冬季設計工況下的氣流組織進行數值模擬計算，并對典型截面的速度場及溫度場進行分析。模擬結果表明：在夏季設計工況下，雖然布風器周圍風速較高、溫度較低，但艙內人員活動區(qū)域速度場分布較均勻，艙內風速小于0.3 m/s，溫度場分布也較為均勻，溫度約為26～27℃；在冬季設計工況下，除布風器周圍風速較高、溫度較高外，艙室大部分區(qū)域風速較低，小于0.2 m/s，溫度約為20℃。無論是夏季還是冬季設計工況，采用布風器末端形式的典型兩人艙室人員活動區(qū)域內的氣流速度及溫度均滿足舒適性標準要求，結果驗證了該典型艙室空調系統(tǒng)布置的合理性。

艦船艙室；布風器；數值模擬；氣流組織；計算流體動力學

0 引 言

與民用船舶相比，軍用艦船艙室相對封閉、空間狹小，且人員眾多、設備復雜，極易造成空氣污染，危害艦員身心健康，影響艦船戰(zhàn)斗力的發(fā)揮［1］。艙室內的空氣環(huán)境包括熱濕環(huán)境和空氣品質（IAQ），合理的通風組織是良好室內熱濕環(huán)境和空氣品質的根本保障［2］。因此，針對艦船艙室特點，改進艦船空調系統(tǒng)設計和優(yōu)化系統(tǒng)運行策略，提高艦船艙室空氣品質，對艦船空調設計有著重要的實際意義［3］。

目前，世界造船業(yè)已經逐步進入更高層次的“數字化”階段，以數字化建模仿真與優(yōu)化為特征，將信息技術全面應用于船舶的產品開發(fā)、設計、制造等全過程［4］。計算流體動力學（CFD）技術已被廣泛應用于氣流組織模擬及艙內環(huán)境的研究。Liu［5］采用Airpak軟件模擬船舶艙室在不同送、回風形式下的艙內環(huán)境，得出下送風的空調送風形式有較好的效果。但在該文獻中并未明確送、回風口的型式。梁彥超［6］對機艙熱環(huán)境進行了數值模擬分析，并針對艙內的高溫區(qū)域提出了通風系統(tǒng)的優(yōu)化措施。周俊男［7］采用CFD軟件對士兵居住艙室進行了3種不同氣流組織形式的數值模擬，并得出適合該艙室的氣流組織形式。但在該研究中采用的送風口為散流器方式，而在實際的艙室中一般采用布風器方式。

布風器和散流器的對比如圖1所示。散流器被廣泛應用于民用建筑的空調系統(tǒng)，而布風器則被廣泛應用于船舶空調系統(tǒng)。兩者雖然都是送風末端裝置，但在送風形式上有所區(qū)別，布風器的送風氣流在下底板的阻礙作用下，呈水平方向沿四周散射出去；散流器的送風氣流在導流板的作用下，呈斜向下方向沿四周送風。船舶空調系統(tǒng)常用布風器主要是由于船舶艙室空間一般比較低矮。

圖1 送風末端對比Fig.1 Comparison of air terminals

本文將對采用布風器的艦船典型兩人艙室氣流組織進行仿真模擬，并分析該艙室的速度場分布和溫度場分布，用來證明采用布風器方式的典型艙室大部分區(qū)域速度場及溫度場分布較為均勻，能夠滿足我國舒適性空調調節(jié)室內設計標準。

1 艦船艙室描述

艦船艙室平面圖如圖2所示，三維立體圖如圖3所示。艙室長4.8 m，寬4.8 m，高2.5 m，總體積為57.6 m3。艙室設置2個布風器送風，每個布風器的送風量為250 m3/h，總送風量為500 m3/h，換氣次數為8.7次。艙室門上設有1個矩形回風口，尺寸為500 mm×400 mm，下邊緣距下甲板高度為0.15 m。

圖2 艙室俯視平面示意圖Fig.2 Schematic planform of the cabin

圖3 艙室三維圖Fig.3 Three-dimensional model of the cabin

布風器如圖4所示（尺寸單位：mm）：上端為靜壓箱，靜壓箱尺寸為0.45 m×0.45 m×0.16 m；靜壓箱下方為圓形風管，風管尺寸為直徑0.16 m，高0.06 m；出風口處設置2塊擋板，上層擋板為方形，尺寸為0.26 m×0.26 m，下層擋板為圓形，直徑為0.24 m，上、下擋板間的豎向距離為0.02 m。送風經過靜壓箱，再經垂直風口，吹到水平擋板后形成水平圓周出流。布風器送風口距離地板（即艙室底部）的高度為1.92 m。

圖4 布風器尺寸圖Fig.4 Size of the air distributor

2 艙室數值模擬模型

在艙室數值模擬過程中，需要保證流體流動都符合質量守恒、動量守恒和能量守恒定律，故一般將連續(xù)性方程、動量方程、能量方程稱為控制方程。

連續(xù)性方程、動量方程（僅給出x方向）及能量方程表達式為：

式中：u，v，w分別為流體在x，y，z坐標方向上的速度分量；ρ為流體密度；p為流體微元上的壓力；Su為x方向上動量守恒方程的廣義源項；?(ρE)/?t為能量非穩(wěn)態(tài)項；div·(ρEV)為對流項；ρf·V為體積力做功；-div·(pV)為壓力做功；div·(τ·V)為粘性力做功；div·(kdivT)為導熱項；SE為源項。

本研究根據模擬艙室的布置、送排風口具體設置和熱濕負荷，采用GAMBIT進行典型艙室的流體域數值模型幾何建模，采用FLUENT對該模型進行數值求解。采用有限體積法，將待解的微分方程對每個控制體積積分并得到關于各節(jié)點上溫度（或者速度、熱流等其他因變量）的離散方程，求解離散方程組就可以得到相關的量［8］。采用Tecplot進行后處理。

3 計算模型假設及邊界條件

建立典型艙室的流體域數值試驗模型，以布風器為中心向外圍逐漸劃分不同區(qū)域并進行網格加密。本艙室共劃分非結構化網格60萬個，對布風器周圍劃分6個不同的加密區(qū)域，由布風器出口向周圍網格逐漸稀疏。布風器出口處劃分10層網格，網格尺寸最小為0.2 mm；模型中不需要進行加密的區(qū)域，即艙內大部分區(qū)域，最大網格尺寸為200 mm。圖5為網格劃分示意圖（60萬網格），圖6為艙室布風器附近區(qū)域網格劃分圖。

圖5 艙室網格劃分圖Fig.5 The schematic mesh plan of cabin

圖6 艙室布風器附近網格劃分圖Fig.6 The zoom of meshing near the air distributor

艙室空間的空氣流動是自然對流和強迫對流共同作用形成的混合湍流流動。由于實際艙室內的設備布置、空氣流動和傳熱非常復雜，因此需要對艙室內的空氣流動及模型做相關合理的假設以便進行求解：

1）艙室內的流動為低速流動，可視為不可壓縮流體；

2）艙室內的流體屬于牛頓流體，表面應力滿足廣義牛頓粘性應力公式；

3）流場具有高湍流雷諾數，流體的湍流粘性系數具有各向同性；

4）由于氣體流動為低速不可壓縮流動，可忽略由流體粘性力做功所引起的耗散熱；

5）考慮艙室流場為穩(wěn)態(tài)，可忽略時間項的影響；

6）假定艙內設備工況穩(wěn)定，向周圍空氣放出的熱量通過定義的邊界均勻或局部地進入流體區(qū)域，將流體與固體接觸面上的換熱轉化為純流體的加熱或對流換熱，不考慮輻射傳熱；

7）艙室為密閉空間，也即在送風口處流入計算區(qū)域，在回風口處流出計算區(qū)域，確保空氣不會從別處流進或流出計算區(qū)域。

艙室模擬分夏季工況與冬季工況。室內設計參數及送風參數等如表1所示。室內熱擾包括人員和照明，將室內熱擾折合成單位面積熱流指標添加到地板上，取典型艙室人員為2人，人員負荷即單人全熱負荷為130 W［9］，艙室內照明面積指標為11 W/m2，室內總熱擾513 W，地板單位熱流指標為22.3 W/m2。其余側壁與相鄰空調區(qū)域沒有熱量交換，設置為絕熱壁面。單個布風器的送風量250 m3/h。布風器送風管截面設置為速度進口邊界，速度為3.46 m/s。送風溫差為9℃。艙室通風口設置為壓力出口邊界。模擬計算模型選擇標準k-ε模型，考慮重力的影響。模擬收斂條件設置為能量殘差10-6，各向速度及k-ε殘差為10-3。

表1 模擬計算參數Tab.1 Parameters of simulated calculation

本文進一步分析了網格劃分的疏密對模擬結果的影響。表2為冬季工況下不同網格數量（即40萬、60萬和150萬）對計算結果的影響。網格總量為60萬和150萬的2次模擬結果較為接近，網格總量為40萬的模擬結果與另外2個模擬（即60萬與150萬網格）結果有所不同，其原因是網格總量為40萬時，布風器周圍網格尺寸較大，不如60萬和150萬網格時網格緊密。考慮到模擬精確性及計算機性能與效率，本文采用了60萬網格進行夏季工況及冬季工況的詳細模擬。

表2 網格疏密對模擬結果的影響Tab.2 Effects of meshing on simulation results

4 模擬計算及結果分析

分夏季和冬季2個設計工況對該模型進行數值模擬，并將數據進行后處理。對典型截面的速度場和溫度場分布進行分析?？紤]的典型截面為：截面1為通過典型艙室內2個布風器中心的垂直截面；截面2為0.6 m高處平面截面（坐姿時膝蓋高度約為0.6 m）；截面3為1.4 m高處平面截面（坐姿時頭部高度約為1.4 m）。

4.1 夏季設計工況

夏季工況下，各截面艙室速度場分布云圖分別如圖7～圖9所示。由截面1艙室速度場分布云圖（圖7）可以看出，送風經垂直風口吹到水平擋板后形成圓周出流，出流方向為斜上方。垂直方向上，布風器周圍風速較高，艙室下部氣流速度較低且分布均勻，風速在0.1～0.2 m/s之間。截面2艙室速度場分布云圖（圖8）顯示，在人員坐姿時膝蓋高度所在的水平面上，艙室大部分區(qū)域速度場分布很均勻，風速在0.1 m/s左右，只有靠近出風口處的風速較高，大于0.3 m/s。截面3艙室速度場分布云圖（圖9）表明，在人員坐姿時頭部高度所在的水平面上，除壁面夾角附近有小部分區(qū)域速度較大，約為0.4 m/s外，艙室絕大部分區(qū)域風速在0.1 m/s左右。

圖7 截面1速度場分布（夏季工況）Fig.7 The distribution of velocity field for section 1（summer）

圖8 截面2速度場分布（夏季工況）Fig.8 The distribution of velocity field for section 2（summer）

圖9 截面3速度場分布（夏季工況）Fig.9 The distribution of velocity field for section 3（summer）

不同截面艙室溫度場分布云圖如圖10～圖12所示。由截面1艙室溫度場分布云圖（圖10）可以看出，由于布風器送風溫度為18℃，導致布風器周圍溫度較低，垂直方向上，艙室上部空氣溫度低于下部，上部空氣溫度在22～24℃之間，下部空氣溫度在26～27℃左右。截面2艙室溫度場分布云圖（圖11）顯示，在人員坐姿時膝蓋高度所在的水平面上，艙室大部分區(qū)域溫度場分布比較均勻，空氣溫度在26～27℃之間。截面3艙室溫度場分布云圖（圖12）表明，在人員坐姿時頭部高度所在的水平面上，艙室溫度場分布也較均勻，空氣溫度在25～27℃之間。

圖10 截面1溫度場分布（夏季工況）Fig.10 The distribution of temperature field for section 1（summer）

圖11 截面2溫度場分布（夏季工況）Fig.11 The distribution of temperature field for section 2（summer）

圖12 截面3溫度場分布（夏季工況）Fig.12 The distribution of temperature field for section 3（summer）

通過不同典型截面艙室速度場分布云圖及溫度場分布云圖可以看出，夏季設計工況下，艙室大部分區(qū)域的速度場分布較為均勻，速度較低，滿足我國舒適性空調調節(jié)室內設計標準［10］。夏季室內風速不大于0.3 m/s的要求；艙室大部分區(qū)域溫度場的分布較均勻，溫度約為26～27℃，滿足我國舒適性空調調節(jié)夏季室內設計標準范圍22～28℃［10］。布風器周圍及艙室回風口處風速較高，約為0.7 m/s；布風器周圍溫度較低，在19～21℃之間。

4.2 冬季設計工況

冬季工況下，各截面艙室速度場分布云圖如圖13～圖15所示。該工況下不同典型截面艙室速度場分布與夏季工況下的艙室速度場分布相似。艙室大部分區(qū)域速度場分布較為均勻，速度較低，滿足我國舒適性空調調節(jié)室內設計標準冬季室內風速不大于0.2 m/s的要求。布風器周圍及艙室回風口處風速較高，約為0.7 m/s。另外，局部區(qū)域（如墻角處）風速偏高。

圖13 截面1速度場分布（冬季工況）Fig.13 The distribution of velocity field for section 1（winter）

圖14 截面2速度場分布（冬季工況）Fig.14 The distribution of velocity field for section 2（winter）

圖15 截面3速度場分布（冬季工況）Fig.15 The distribution of velocity field for section 3（winter）

各截面艙室溫度場分布云圖如圖16～圖18所示。由截面1艙室溫度場分布云圖（圖16）可以看出，由于布風器送風溫度為27℃，導致布風器周圍溫度較高，再加上熱空氣上升的緣故，垂直方向上，艙室上部空氣溫度高于下部，上部空氣溫度在21～22℃之間，下部空氣溫度在在19～20℃之間。截面2艙室溫度場分布云圖（圖17）顯示，在人員坐姿時膝蓋高度所在的水平面上，艙室大部分區(qū)域的溫度場分布比較均勻，空氣溫度在19～20℃之間，而截面圖下方壁面為暴露側壁，外側溫度僅為-18℃，導致暴露側壁附近空氣溫度低于其他區(qū)域空氣溫度，低于18℃。截面3艙室水平溫度場分布云圖（圖18）表明，在人員坐姿時頭部高度所在的水平面上，艙室大部分區(qū)域溫度場分布也比較均勻，在19～20℃之間。

通過不同典型截面艙室溫度場分布云圖可以看出，冬季設計工況下，艙室大部分區(qū)域溫度場分布非常均勻，溫度約為20℃，滿足我國舒適性空調調節(jié)冬季室內設計標準范圍18～24℃［10］。布風器周圍溫度較高，在24～26℃之間。艙室下部暴露側壁附近的空氣溫度低于18℃。

圖16 截面1溫度場分布（冬季工況）Fig.16 The distribution of temperature field of section 1（winter）

圖17 截面2溫度場分布（冬季工況）Fig.17 The distribution of temperature field of section 2（winter）

圖18 截面3溫度場分布（冬季工況）Fig.18 The distribution of temperature field for section 3（winter）

5 結 語

本文建立了采用布風器進行空調送風的艦船典型兩人艙室的流體域數值試驗模型，進行了數值模擬計算。通過對典型截面的速度場及溫度場的分析，結果表明，無論是在夏季設計工況還是冬季設計工況，艙內人員工作區(qū)的艙室大部分區(qū)域速度場分布較為均勻，速度較低，小于0.3 m/s，滿足我國舒適性空調標準給出的速度要求。雖然布風器出口附近速度較高，達到了0.7 m/s，但位于艙內人員活動區(qū)以上。在夏季設計工況下，艙室大部分區(qū)域溫度場分布較為均勻，溫度約為26～27℃；在冬季設計工況下，艙室大部分區(qū)域溫度場分布也很均勻，溫度約為20℃，均滿足舒適性空調標準。通過數值模擬計算，驗證了典型艙室空調系統(tǒng)布置的合理性。

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［責任編輯：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期刊網址：www.ship-research.com

權崇仁，王洋，于立慶，等.艦船典型艙室氣流組織數值模擬分析［J］.中國艦船研究，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"> 網絡出版時間：

時間：2015-11-10 10:26

國家部委基金資助項目

權崇仁，男，1982年生，碩士，工程師。研究方向：裝備質量管理王洋（通信作者），男，1981年生，碩士，工程師。研究方向：船舶空調通風。E-mail：philips_king@163.com