楊懷德 李志印 石旭東 張 瑤

潛艇集控艙室氣流組織仿真及舒適性研究

楊懷德1李志印1石旭東2張 瑤1

（1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064；2.華中科技大學(xué) 武漢 430074）

潛艇密閉艙室的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)受工作環(huán)境所限，無法隨時(shí)與外界進(jìn)行氣體交換。而集控艙室由于人員密集、散熱設(shè)備較多等因素的影響，空氣環(huán)境更為惡劣。對潛艇艙室環(huán)境進(jìn)行有效控制，為船員提供舒適的生存環(huán)境，是潛艇總體性能的一個(gè)重要指標(biāo)。鑒于此，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，根據(jù)實(shí)際的邊界條件，對集控艙室夏季水下和水上兩工況艙室內(nèi)的氣流組織進(jìn)行模擬計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果可視化處理，對典型截面內(nèi)的風(fēng)速、溫度、CO2濃度和PMV值等指標(biāo)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：在本文所采用的送風(fēng)方式下，水下工況集控艙內(nèi)大部分區(qū)域溫度25℃左右，除送風(fēng)口外其余位置風(fēng)速在0.3m/s左右，CO2濃度較小，艙內(nèi)整體PMV值在-1～1之間。水上工況與水下工況相比，艙室內(nèi)平均溫度略高，風(fēng)速相同，但相關(guān)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，船員的舒適性較好。研究結(jié)果對集控艙室氣流組織的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

氣流組織；模擬；舒適性；集控艙

0 引言

潛艇集控艙室作為潛艇運(yùn)行的主要工作地點(diǎn)，其內(nèi)部氣流溫度、風(fēng)速、CO2濃度等指標(biāo)直接影響工作人員舒適性，長時(shí)間處于高溫狀態(tài)下工作人員容易產(chǎn)生疲倦、煩躁等不良情緒[1]。因此，對潛艇集控艙室氣流組織及其舒適性進(jìn)行研究，對潛艇空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及改進(jìn)具有重要的意義[2]。

目前，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)已成為艙室內(nèi)氣流組織研究的重要手段之一[3]。本文擬針對艙室相對封閉、空間狹小、人員眾多、空氣污染物濃度情況，綜合考慮氣流組織熱舒適性及空氣污染物濃度等因素，采用CFD方法設(shè)計(jì)艙室高熱負(fù)荷送風(fēng)方案，為解決實(shí)際工程問題提供理論依據(jù)。

1 物理模型描述

本文研究對象是某型艦艇的集控艙室，按照1：1比例對艙室進(jìn)行三維建模，艙內(nèi)布有兩條送風(fēng)管道，分別位于兩排工作臺(tái)工作人員頭頂最上方[4]，每條送風(fēng)管道上布有4個(gè)送風(fēng)口進(jìn)行送風(fēng)，艙室門下部設(shè)有一個(gè)的矩形回風(fēng)口。集控艙室內(nèi)部的工作人員簡化成倒Z字形分布，在人體模型上部設(shè)20mm×20mm正方形小口，模擬人體呼吸；在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對其余相關(guān)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)簡化，簡化后的模型如圖1所示。

圖1 簡化后集控艙室模型圖

2 數(shù)值模擬模型

2.1 控制方程

計(jì)算模型采用兩方程湍流模型。采用兩方程湍流模型求解室內(nèi)流體流動(dòng)問題時(shí)，控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、能量方程及傳質(zhì)方程[5]。

連續(xù)性方程：

不可壓縮流體可以簡化為：

動(dòng)量方程：

能量方程：

傳質(zhì)方程：

式中：S為第種物質(zhì)的散發(fā)率。

2.2 網(wǎng)格劃分

鑒于模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)多且復(fù)雜，對簡化三維模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對風(fēng)管以及送風(fēng)口處網(wǎng)格進(jìn)行不同程度加密，選取第4.1節(jié)方案中典型截面計(jì)算結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。由表可以看出，網(wǎng)格數(shù)為400萬與網(wǎng)格數(shù)為500萬時(shí)的計(jì)算結(jié)果相近。為提高計(jì)算效率，取網(wǎng)格數(shù)為400萬。最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

圖2 艙室模型網(wǎng)格劃分圖

3 計(jì)算模型假設(shè)及邊界條件設(shè)置

艙室內(nèi)空氣的流動(dòng)受強(qiáng)迫對流和自然對流的共同影響，且在實(shí)際艙室內(nèi)會(huì)受到人員活動(dòng)等因素的影響，過程復(fù)雜。為便于求解，對居住艙室內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）艙室內(nèi)氣體為不可壓縮氣體，流體密度僅對浮升力產(chǎn)生影響；

（2）艙室內(nèi)空氣為充分發(fā)展的湍流，具有高雷諾數(shù)，忽略時(shí)間項(xiàng)的影響；

（3）流體與熱源間換熱為對流換熱，無輻射換熱；

（4）風(fēng)管與空氣不發(fā)生換熱過程；

（5）艙室除送風(fēng)和回風(fēng)口外，密閉性良好；

（6）人員保持在自己位置，不進(jìn)行移動(dòng)。

夏季艙頂水上、水下內(nèi)表面溫度如表2所示[1]。

表2 艙頂內(nèi)表面溫度

模擬計(jì)算模型艙頂溫度按照表2中的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，人體散熱量按照較大腦力勞動(dòng)者設(shè)置為135W/h；人體模型呼吸出口設(shè)為速度入口，忽略呼吸氣體所含熱量，呼氣口溫度設(shè)為環(huán)境溫度27℃，速度設(shè)為0.3m/s，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為4%[6]；設(shè)備散熱量按照實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)置，艙室散熱設(shè)備熱負(fù)荷如表3所示?？偣芩惋L(fēng)口設(shè)置為速度入口，方向垂直向下，送風(fēng)速度1.62m/s，送風(fēng)溫度設(shè)為18℃，送風(fēng)溫差為9℃；回風(fēng)口設(shè)為自由出流邊界條件。

表3 艙室總熱負(fù)荷

工作艙室內(nèi)環(huán)境舒適性的評價(jià)主要包括熱舒適性及空氣品質(zhì)。熱舒適性由室內(nèi)氣流組織的溫度、風(fēng)速、PMV指標(biāo)衡量。綜合評價(jià)環(huán)境熱舒適性的PMV指標(biāo)如表4所示。

表4 PMV指標(biāo)

艙室空氣品質(zhì)由CO2濃度衡量[7]，根據(jù)GB/T 18883—2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定室內(nèi)空氣中CO2濃度小于0.10%。為滿足艙室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求，表5給出了艙室設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表5 設(shè)計(jì)參數(shù)

4 模擬結(jié)果及分析

分水上和水下2個(gè)設(shè)計(jì)工況對該模型進(jìn)行數(shù)值模擬。對典型截面的速度場、溫度場、CO2分布和PMV分布進(jìn)行分析。考慮的典型截面為：截面1取垂直艙室地面橫切面；截面2取坐姿時(shí)人腿部截面高度0.4m處；截面4取人口呼吸高度0.95m；截面5取坐姿頭部上方高度1.4m處。各截面位置如圖3所示。

圖3 模型典型截面圖分布示意圖

4.1 水上設(shè)計(jì)工況

潛艇水上工況時(shí)，各截面艙室速度場分布云圖分別如圖4所示。由截面1分布云圖可以看出，冷風(fēng)垂直射出，經(jīng)工作臺(tái)阻擋形成彎道，由工作臺(tái)和人員間縫隙流出，出風(fēng)口處及垂直方向區(qū)域風(fēng)速較高，艙室下部氣流速度較低且分布均勻，風(fēng)速在0.1～0.2m/s之間。由截面2分布云圖所示，在人腿高度所在水平面上，艙室送風(fēng)口下方處及出風(fēng)口處風(fēng)速較大，大部分區(qū)域風(fēng)速較小，在0.1～0.4m/s左右。截面3分布云圖表明，在人員坐姿時(shí)，口鼻呼吸所在高度處水平面上，風(fēng)速較大區(qū)域集中在送風(fēng)口正下方區(qū)域、出風(fēng)口及工作人員和工作臺(tái)中間區(qū)域，但工作人員周圍風(fēng)速在0.2～0.4m/s之間，大部分區(qū)域在0.2m/s以下，整個(gè)艙室風(fēng)速大部分區(qū)域處于0.2m/s以下。截面4布云圖表明，高度為1.4m處艙室大部分區(qū)域風(fēng)速在0.1～0.4m/s之間，送風(fēng)口正下方處風(fēng)速較高，但處于工作人員活動(dòng)范圍外。

不同截面溫度場分布云圖如圖5所示。截面1分布云圖顯示，送風(fēng)口下方風(fēng)速較大區(qū)域溫度偏低，整個(gè)艙室由上至下溫度逐漸降低，由艙頂溫度較高導(dǎo)致，因工作臺(tái)為發(fā)熱體，工作臺(tái)邊角風(fēng)速較低處小區(qū)域溫度較高，整個(gè)艙室大部分區(qū)域溫度在25～26℃之間。截面2分布云圖顯示，在人腿高度處，整個(gè)艙室大部分區(qū)域溫度集中在24～26℃，溫度場分布復(fù)雜，由艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致。截面3分布云圖顯示，在人呼吸高度處，艙室大部分區(qū)域溫度集中在23～26℃之間，送風(fēng)口正下方處溫度偏低，因送風(fēng)口處低溫氣流無阻力射下導(dǎo)致，工作人員周圍溫度為24～26℃之間。截面4分布云圖顯示，在工作人員上方區(qū)域除垂直送風(fēng)口下方區(qū)域溫度較低，工作臺(tái)上方區(qū)域溫度偏高外，整個(gè)艙室溫度在24～25℃之間。垂直風(fēng)口下方處溫度較低，工作臺(tái)處溫度較高，由此截面距送風(fēng)口距離較近氣流未向水平方向擴(kuò)散導(dǎo)致。

不同截面PMV分布云圖如圖6所示。截面1云圖顯示，艙室大部分區(qū)域PMV值在0左右波動(dòng)，風(fēng)管下方區(qū)域PMV值偏低為-1，因此處風(fēng)速及溫度較低導(dǎo)致。此處未處于人員活動(dòng)區(qū)域。截面2云圖顯示，在人小腿高度處，出風(fēng)口垂直正下方處PMV值偏高。截面3云圖顯示，在人口鼻高度處，除送風(fēng)口下方區(qū)域PMV值較低外，整個(gè)艙室PMV值在0左右波動(dòng)，PMV值較低區(qū)域?yàn)榉枪ぷ魅藛T活動(dòng)區(qū)域。截面4云圖顯示，在工作人員上方區(qū)域，除送風(fēng)口正下方處PMV值較低，其余大部分區(qū)域PMV值在0左右。

不同截面CO2分布云圖如圖7所示。由截面1云圖顯示，除人口鼻呼吸處CO2濃度較高外，整個(gè)艙室CO2濃度在0.04%～0.05%之間，風(fēng)速較大區(qū)域CO2濃度偏低。由截面2云圖顯示，在人腿部高度處，整個(gè)艙室CO2濃度在0.04%～0.05%之間，且分布較為均勻。由截面3云圖顯示，在人呼吸高度處，除口鼻呼吸處及相近區(qū)域處，CO2濃度較高，其余區(qū)域CO2濃度在0.04%～0.05%之間，且分布較為均勻。由截面4云圖顯示，在人員上方高度處，大部分區(qū)域在0.04%～0.05%之間，部分區(qū)域出現(xiàn)環(huán)狀CO2高濃度區(qū)，經(jīng)多截面觀察研究發(fā)現(xiàn)，此現(xiàn)象由于氣流從底部向上反射及出風(fēng)口位置導(dǎo)致出現(xiàn)CO2環(huán)狀區(qū)域。

圖7 水上工況CO2分布云圖

4.2 水下設(shè)計(jì)工況

潛艇水下工況時(shí)，艙室速度場分布云圖各截面分別如圖8所示。該工況下不同典型截面艙室速度場分布與潛艇水上工況時(shí)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，滿足設(shè)計(jì)要求。送風(fēng)口周圍及艙室出風(fēng)口處風(fēng)速較高，其他大部分區(qū)域風(fēng)速在0.1～0.4m/s，且分布較為均勻。

圖8 水下工況速度場分布云圖

潛艇水下工況時(shí)，艙室速度場分布云圖各截面分別如圖9所示。水下工況和水上工況大致趨勢相同，溫度分層情況相似，相比水上工況，由于水下工況較水上工況艙頂溫度低，故水下工況時(shí)艙室整體溫度偏低，在艙室上層相差2℃，在艙室下層幾乎無變化，整體溫度分布較為均勻且舒適。

圖9 水下工況溫度場分布云圖

潛艇水下工況時(shí)，艙室PMV分布云圖各截面分別如圖10所示。水下工況和水上工況分布情況相似，除送風(fēng)口和出風(fēng)口附近較小區(qū)域，整個(gè)艙室PMV值集中在0左右，且分布均勻，滿足舒適性要求。

圖10 水下工況PMV分布云圖

潛艇水下工況時(shí)，艙室CO2分布云圖各截面分別如圖11所示。水下工況和水上工況分布情況相似，除工作人員口鼻附近較小區(qū)域及人員側(cè)上方由于反彈風(fēng)引起的CO2環(huán)形區(qū)域，整個(gè)艙室PMV值集中在0.04%～0.05%之間，分布均勻。

圖11 水下工況CO2分布云圖

5 結(jié)論

本文建立了空調(diào)送風(fēng)的艦船典型工作艙室的流體域數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過對典型截面的速度場、溫度場、PMV指標(biāo)及CO2濃度的分析，結(jié)果表明，無論水上還是水下設(shè)計(jì)工況，艙內(nèi)大部分區(qū)域速度場分布較為均勻，速度較低，小于0.5m/s，滿足艙室設(shè)計(jì)要求。雖然出風(fēng)口附近速度較高，但位于艙內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)以上或不在工作人員活動(dòng)周圍。在水上設(shè)計(jì)工況下，艙室大部分區(qū)域溫度場分布較為均勻，溫度約為24～26℃；水下設(shè)計(jì)工況和水上設(shè)計(jì)工況溫度場分層情況相似，艙室上部溫度較水上設(shè)計(jì)工況低2℃，艙室下部區(qū)域和水上工況基本相同，水上和水下工況大部分區(qū)域PMV值在0左右，CO2濃度在0.04%～0.05%之間，均分布均勻，均滿足舒適性空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。通過數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證了典型艙室空調(diào)系統(tǒng)布置的合理性。

[1] 趙恒,彭文波,周志杰.潛艇居住艙室空調(diào)送風(fēng)舒適度數(shù)值模擬評估[J].中國艦船研究,2018,13(S1):189-198.

[2] 郭寶坤,李慧子,劉鑫,等.船用布風(fēng)器冬季工況射流流場模擬及試驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào),2016,16(12):26-30.

[3] L.i YANG, Miao Ye, Bao Jiehe. CFD simulation research on residential indoor air quality[J] Science of The Total Environment, 2014,472:1137-1144.

[4] 胡國霞,田煒.高大空間送風(fēng)口高度對氣流組織影響試驗(yàn)研究[J]制冷與空調(diào),2014,14(12):73-79.

[5] 劉翔宇.集中防護(hù)狀態(tài)下船舶關(guān)鍵區(qū)域的氣流組織研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2016.

[6] 亓海青,李志印,周立華.居住艙室空氣環(huán)境舒適性數(shù)值分析[J].中國艦船研究,2018,13(4):93-98.

[7] 周愛民,余濤,沈旭東.船舶艙室污染物傳播研究進(jìn)展[J].艦船科學(xué)技術(shù),2014,36(1):10-15.

[8] ASHRAE. 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook[M]. Thermal comfort, 2001.

Simulation Research on Air Distribution and Comfortableness in Central Control Room of Ssubmarine

Yang Huaide1Li Zhiying1Shi Xundong2Zhang Yao1

( 1.China Ship Development and Design Center, Wuhan, 430064;2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074 )

Because of submarine working environment, Air-conditioning and ventilation system couldn’t exchange gas of enclosed space in submarine with outside. For the features of staff-intensive and much waste heat from equipments accumulates in the internal air, air environment becomes worse. Having a more effective control of air environment of submarine and providing a comfortable living environment for the crew is an important performance index of submarine. In view of this, computational fluid dynamics will be used in this paper to simulate calculation of air distribution in the cabin of above and below the surface. The result will be visualized, and wind speed, temperature, CO2concentration and PMV value of representative section will be analyzed. The analysis results indicated that, in the condition of air supply method in this paper(underwater state), temperature of most area is around 25 centigrade, the wind speed is around 0.3 m/s except air supply grille. The CO2concentration was at a relatively low level and PMV value was from -1 to 1. Compared with underwater state, the average temperature of cabin in waterborne state was higher, the CO2concentration was smaller. However, related indicators satisfied design requirements and the crew felt more comfortable. The research result may be helpful for air distribution design in the central control room.

air distribution; simulation; comfortableness; central control room

U664.86

A

1671-6612（2020）03-390-07

楊懷德（1984.06-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：adrain_2011@126.com

2019-08-13