袁東方, 張國慶, 高文峰, 王飛, 李晶金

(云南師范大學，云南 昆明 650092)

1 引言

相比于一般的旅店房間，睡眠艙具有空間占比少、住宿費用低和空間更私密等突出優(yōu)點，符合節(jié)約型社會的發(fā)展理念.當前睡眠艙的主流通風設備為排氣扇，噪音較大且對流場的擾動較大，一種介于混合通風與置換通風之間的新型送風模式——條縫型送風口形成的貼附射流[1-3]受到了國內外學者的關注.貼附通風射流的原理是利用康達效應(Coanda effect)推動空氣附著在壁面上流動的一種空氣運動方式，由于空氣沒有直接吹向人體，因此貼附射流運用在小微睡眠環(huán)境時可以有效地減弱人體的吹風感[4].

在低溫的冬季，分子運動變得緩慢，人體代謝釋放的CO2等污染性氣體比夏季更容易堆積在人體周圍，對睡眠艙入住人員的睡眠造成一定影響，而且低溫環(huán)境下人體對吹風感更為敏感.基于此，本文利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件Fluent對睡眠環(huán)境進行通風換氣模擬，探討以5 ℃的較低初始室溫下的貼附射流(水平貼附射流、豎直貼附射流和雙貼附射流)以及送風量對室內氣流場、溫度場和CO2濃度場的影響，以便獲得合理的送風方式，改善艙內睡眠環(huán)境.

2 物理模型

模擬對象幾何尺寸為2.0 m×2.0 m×2.4 m；睡眠艙通常僅供一人入住，艙中設一張尺寸為1.9 m×0.6 m的單人床，床高0.35 m；床頭桌尺寸為0.6 m×0.4 m×0.5 m.在空調緊挨頂板和左側壁處均設有一尺寸為0.9 m×0.05 m 的條縫送風口，回風口的尺寸為0.2 m×0.2 m(如圖1).

在睡眠艙內選取如圖1(a)所示的A-E 5個高度為1.2 m的空間點作監(jiān)測點.劃分網格為非結構化網格，經網格獨立性驗證，選取最佳網格數量190萬個，正交網格質量達到0.78.由于CO2釋放流動為湍流，且考慮到貼附射流模式，湍流模型選為Realizable k-ε，開啟組分運輸模型對其擴散和濃度分布進行計算；啟用Boussinesq假設考慮浮力效應，近壁面流動狀態(tài)的描述采用標準壁面函數；小微空間內部人員頭部溫度恒為36.5 ℃，默認在低溫狀態(tài)下人體其他部位覆蓋被褥，不考慮傳熱；墻面的輻射模型選擇表面到表面；人體CO2釋放量約0.248 6 L/min[5]；床、床頭桌、空調外壁和墻壁壁面等均為無滑移固體壁面.冬季送熱工況下，在假設圍護結構保溫性能良好且室內外最大溫差不超過17 ℃的情況下，忽略熱量損失.

(a)睡眠艙平面圖 (b)睡眠艙立體圖

由于送風模式、送風量、送風溫度以及室內初始溫度都對熱環(huán)境到達穩(wěn)態(tài)有較大的影響，故選取相同的初始室溫以及恒定的送風溫度，改變射流模式和通風量，模擬睡眠艙環(huán)境變化，通風工況如表1.

表1 通風工況

3 模擬結果與分析

3.1 艙內流場分析

3.1.1 不同貼附射流下的流線分析

選取X-Z截面(Y=1 m處)分析工況1-3下睡眠艙中形成的流線，如圖2所示.

水平貼附射流中，氣流先沿著頂壁流動，后向下沿著側壁被送到人員睡眠區(qū)，射流厚度逐漸增加.冬季室內溫度較低，吹出的熱風溫度較高，浮升力對射流的向下流動起阻礙作用[6]，但是由于到達睡眠區(qū)域的送風路徑較短，射流到達睡眠區(qū)域時仍然具有較高的動量,造成右側壁流速高，而左側壁流速低，使得送入的新風與艙內空氣能夠較快混合，而且在人體周圍形成卷吸作用，有利于降低呼吸區(qū)CO2濃度.

在豎直貼附射流中，氣流從空調下方直接射出，初始動能有利于減弱熱升浮力的影響.沿著地面發(fā)展的射流到達右側壁后沿著側壁上升，克服重力做功的同時伴隨著動能的衰減.盡管在射流到達睡眠區(qū)時動能減小，但由于小微空間體積較小，卷吸作用被放大，有利于睡眠區(qū)域污染氣體的擴散和排出.

雙貼附射流是上述兩種射流模式的組合，兩個送風口同時送風，但為了保證相同的送風量，降低了初始的送風速度.兩股氣流在睡眠區(qū)域的右上方發(fā)生碰撞，并在小微空間的右上方角落處形成一個區(qū)域旋渦，不利于室內污染物的排出.

圖2 三種貼附射流下的空間流線圖

3.1.2 送風速度對氣流場特征的影響

為了得到送風速度對不同貼附射流流場特征的影響，分別選取X-Z截面(Y=1 m處)和Y-Z截面(X=1.5 m處)分析不同送風量(45 L/s和60 L/s)下艙內氣流場變化，如圖3所示.

圖3 三種貼附射流下不同截面的速度云圖

研究表明，導致人感覺不舒適的最低風速約為0.25 m/s[7].水平貼附射流下，在送風量為45 L/s時，人體附近的氣流速度在0.2 m/s左右，但在送風量為60 L/s時，超過了0.25 m/s， 這會干擾人的正常睡眠，表明此種送風模式下需降低送風量.豎直貼附射流下，由于送風路徑較水平射流長，因此不同送風量下人頭部附近的風速均較小;由于CO2的密度較大，因此下方CO2濃度會更高，豎直貼附射流正好使得底部區(qū)域風速更高，能夠更好地帶走CO2，降低污染物濃度.雙貼附射流下，上述送風量的流場風速更低.

3.2 艙內溫度場分析

設定初始溫度為5 ℃，送風溫度為22 ℃，開始送風后溫度逐漸上升.送風量為45 L/s時，選定三個時刻(60、420 s和780 s)Y-Z截面(X=1.5 m處)的溫度云圖考察艙內溫度的變化(如圖4)，垂直方向有明顯的溫度分層.水平貼附射流中，熱空氣堆積在上層，下方區(qū)域溫度上升較慢.豎直貼附射流可以更快地將暖風送達地面，有利于熱量的傳遞，室內溫度可以在更短的時間里達到穩(wěn)態(tài).雙貼附射流中，送風速度低，室內溫度上升最慢.

圖4 三種貼附射流下不同時刻的溫度云圖(45 L/s)

增加送風量至60 L/s時，三個同樣時刻的溫度云圖如圖5所示.除了明顯的溫度分層現象外，增加送風量還減少了室溫達到穩(wěn)態(tài)的時間.總之，相同送風量時，豎直貼附射流下室溫到達穩(wěn)態(tài)的時間最短，送風量為45 L/s時，時間不超過780 s；送風量為60 L/s時，時間不超過540 s.

圖5 三種貼附射流下不同時刻的溫度云圖(60 L/s)

3.3 暴露區(qū)域吹風感分析

風速的大小和空氣溫度在不同程度上影響著人員的舒適度，可以用吹風感比率(Draft Rate,DR)指標來進行量化分析.ISO7730定義的計算公式如下：

DR(%)=(34-T)×(U-0.05)0.62×

(0.37Utu+3.14);

式中，T，某點空氣的溫度，℃；U，某點的空氣流速，m/s；tu，某點空氣的湍流強度，取35%.在頭部(暴露部位)附近取15個監(jiān)測點(如圖6(a)所示)用于計算頭部吹風感.

圖6(b)和(c)為三種不同送風模式下人頭部區(qū)域的DR值.當送風量為45 L/s時，在不同的貼附射流下，水平貼附射流、豎直貼附射流和雙貼附射流人員睡眠區(qū)域的DR 分別在2.1%～10.0%、2.4%～9.5% 和1.0%～6.1%的范圍內；當送風量為60 L/s時，水平貼附、豎直貼附和雙貼附射流下人員睡眠區(qū)域的DR 分別在1.5%～15%、2.1%～12.4% 和0.8%～4.9%的范圍內.三種射流下睡眠區(qū)域的DR值都能滿足ISO7730中推薦的不大于20%的要求.

(a)頭部區(qū)域吹風感監(jiān)測點 (b)監(jiān)測點DR值(45 L/s) (c)監(jiān)測點DR值(60 L/s)

3.4 艙內二氧化碳濃度分析

相關研究表明[8]，長時間處于CO2濃度大于10-3(體積分數，即1 000 ppm)的室內，人體的機能將受到不利影響.圖7為Y-Z截面(X=1.5m處)CO2云圖，由圖7可知，水平貼附射流和豎直貼附射流在較小的送風量下就可以有效降低呼吸區(qū)域的CO2濃度；加大送風量雖然可以進一步降低CO2濃度，效果卻并不明顯.雙貼附射流情況下呼吸區(qū)域代謝污染物濃度較高，加大送風量可以有效降低呼吸區(qū)的CO2濃度.

圖7 CO2云圖

4 結語

設計6種通風工況，采用CFD模擬探究冬季睡眠艙內氣流場、溫度場及CO2濃度場變化，具體結果如下：

(1) 貼附射流應用于小微睡眠空間可以有效地克服傳統(tǒng)機械送風對人體周圍流場擾動大的特點，三種射流下睡眠區(qū)域的DR值都控制在20%以內，有效地降低了人體的吹風感.

(2)室內溫度上升至穩(wěn)態(tài)的過程中，溫度分層現象明顯.由于熱升浮力的作用，水平射流下室溫的上升速度比豎直射流慢，豎直射流下室溫到達穩(wěn)定所需時間最短，而雙貼附射流下室溫上升最慢.

(3)由于雙貼附射流的出風口面積較大，在同樣的送風量下，送風速度較低導致其卷吸效果差，并且由于射流碰撞產生了渦旋，空間CO2濃度超標范圍大.送風量在45 L/s時，豎直射流通風能力最強，水平射流次之，雙貼附射流最差；增加送風量至60 L/s時，豎直射流通風能力仍保持最優(yōu)，雙貼附射流次之，水平射流最差.