敖庆章1徐新华2*陈乾3肖磊2
1驻七O-所军事代表室2华中科技大学建筑环境与能源应用工程系3华中科技大学制冷及低温工程系
摘 要：对采用布风器进行空调送风的某舰船舱室进行数值模拟，分别获得夏季设计工况和冬季设计工况的舱室典型截面速度场、温度场和PMV场。模拟结果表明采用布风器方式，舱内人员活动区域内气流速度、温度及PMV值均满足舒适性标准要求，说明了该典型舱室采用布风器进行空调送风的可行性与合理性。
关键词：舰船舱室；布风器；数值模拟；气流组织
0 引言
近年来，由于国际海上领土争端不断升温，我国 正大力推进现代化军用舰船制造事业的发展。现代舰船是一个典型的、庞大的、复杂的人．机一环系统，舰船为人员所操纵、所利用，而船员又以舰船为其工作和生活空间。随着舰船人机环技术的发展，要求居住舱室的背景噪声、居住环境条件进一步改善，提高居住舱室的热舒适性，来保证舰船上人员良好的身体状况和精神状态。由于船员绝大部分工作和生活时间都待在舰船舱室里，室内空气环境包括室内热湿环境和室内空气品质(IAQ)，而合理的通风组织是良好室内热湿环境和空气品质的根本保障。因此，针对船舶舱室特点，改进船舶空调系统设计和优化系统运行策略，提高船舶舱室空气品质，对船舶空调设计有着重要的实际意义。
目前，CFD技术已经广泛应用于民用建筑室内气流组织模拟也渐渐用于舱室室内环境优化研究。程东梅通过数值模拟软件比较了船舶舱室内不同尺寸及位置的回风口和送风口对房间气流组织的影响，以期望得到更好的送风形式。刘凤荣采用CFD软件对船舶整个机舱热环境进行了模拟研究，通过模拟结果给出了合理的机舱热舒适性优化方案。Liu用Airpak软件模拟船舶舱室在不同送回风形式下的舱内环境，得出下送风的空调送风形式有较好的效果，
但在该文献中并未明确送回风口的型式。周俊男对士兵居住舱室进行了三种不同气流组织形式的数值模拟，并得出适合该舱室的气流组织形式，但是在该研究中采用的送风口为散流器方式，而在实际的舱室中一般常用布风器方式。李以通通过人工环境实验室与数值模拟数据对比，整理归纳了4种不同布风器形式对舱室布风的影响，对节能、舒适性等综合因素进行了考虑，给出了较为合理的舱室送风形式。
本文利用Airpak软件对采用布风器的舰船典型舱室气流组织进行仿真模拟，并对该舱室的速度场分布、温度场分布及PMV值进行分析研究。结果表明，采用布风器方式典型舱室大部分区域速度场，温度场及PMV场分布较为均匀，满足船舶舱室舒适性要求。
1 舰船舱室几何描述
舰船舱室平面图如图1所示，室尺寸为：长4.8 m，宽4.8 m，高2.5 m。舱室设置两个布风器送风，每个布风器送风量为250 m3/h，总送风量为500 m3/h。舱室门上设有1个矩形出风口，尺寸为500 m m x400 mm，下边缘距下甲板高度为0.15 m。布风器如图2所示，上端为静压箱，静压箱尺寸为0.45 mx0.45 m x0.16 m，静压箱下方为圆形风管，风管尺寸为直径0.16 m，高0.06 m，出风口处设置两块挡板，上层挡板为方形，尺寸为0.26 mx0.26 m，下层挡板为圆形，直径为0.24 m，上下挡板之间竖向距离为0.02 m。送风经过静压箱，再经垂直风口，吹到水平挡板后形成水平圆周出流。布风器送风口距离地板（即舱室底部）高度为1.92 m。
2 建模及边界条件
采用Airpak软件建立典型舱室的流体域数值试验模型，Airpak采用六面体非结构化网格划分方法。首先建立基本模型，并进行网格粗划分，然后进行局部加密。主要加密处有三处：
1)加密布风器两挡板间薄层区域。由于AirPAK的网格加密是针对模型的部件进行加密，而两挡板中间区域无部件，故在此区域内预先加入block块，并将其设定为fluid类型，然后对该block块进行加密，此加密主要是针对垂直方向上，保证两挡板间有至少5层以上的网格。
2)静压箱附近区域加密。此加密较为简单，只需将箱体三个方向上的网格数同时加密即可。
3)进风口加密。对圆形进风口进行加密。为使空气出流平均，需要保证直径范围内网格层数在10层以上。
舱室空间的空气流动是自然对流和强迫对流共同作用形成的混合湍流流动，属于湍流流动。由于实际舱室内的设备布置、空气流动和传热非常复杂，因此需要对舱室内的空气流动及模型做相关合理假设以便进行求解。舱室内流体属于牛顿流体，为低速流动，流场具有高湍流雷诺数。舱内设备工况稳定，向周围空气放出的热量通过定义的边界均匀或局部的进入流体区域，将流体与固体接触面上的换热转化为纯流体的加热或对流换热，不考虑辐射传热。
舱室模拟分冬季与夏季工况。室内设计参数及送风参数等如表1所示。室内热扰包括人员和照明，将室内热扰折合成单位面积热流指标添加到地板上，取典型舱室人员为两人，人员负荷即单人全热负荷为130 W，舱室内照明面积指标为11 W/m2，室内总热扰513 W，地板单位热流指标为22.3 W/m2。其余侧壁与相邻空调区域没有热量交换，设置为绝热壁面。单个布风器送风量250 m3/h。暴露甲板传热系数K为1.39 W/(m2．K)，暴露侧壁传热系数K为1.57 W/(m2．K)。模拟计算模型选择室内零方程模型，考虑重力影响。模拟收敛条件设置为能量残差10-6，各向速度及K-ε残差为。
3 模拟结果分析
采用Airpak软件分夏季和冬季两个设计工况对该模型进行数值模拟，并对典型截面的速度场和温度场分布进行分析。考虑的典型界面为：截面1为通过典型舱室内两个人体模型中心的垂直截面；截面2为0.6 m高处平面截面（坐姿时膝盖高度约为0.6 m）；截面3为1.4 m高处平面截面(坐姿时头部高度约为1.4 m)。
3.1夏季设计工况
夏季工况下，由截面1的速度分布云图（图3）可以看出，人体模拟附近风速均匀且较小。从截面1的温度分布云图（图4）可以看出，除天花板及人体表面附近温度较高外，其余大部分区域温度均匀，大约为24℃。从截面1、截面2及截面3的PMV云图(图5～7)可以看出，天花板附近及人体表面附近PMV值较高，其余大部分区域PMV值均在-0.5到0.5之间，较为均匀。
通过数值模拟得出，截面2温度最大值为29.6℃，但分布区域较小，主要在暴露侧壁以及人体模型附近，温度最小值为22.8℃，在截面上分布区域较广，平均温度为23.7℃。由于截面2经过出风口，故其速度最大值较大，最大风速为0.87 m/s。截面3温度最大值为30.3℃，最小值为22.8℃，平均温度为23.8℃，速度最大值为0.28 m/s(由于篇幅，此部分截面速度及温度云图未给出)。
通过不同典型截面舱室速度场分布云图，温度场分布云图及PMV云图可以看出，夏季设计工况下，舱室大部分区域速度场分布较为均匀，速度较低，满足我国舒适性空调调节室内设计标准夏季室内风速不大于0.3 m/s的要求；舱室大部分区域温度场分布较为均匀，温度约为24℃，满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22～28℃;舱室大部分区域PMV值在-0.5到0.5之间，满足人体舒适性需求。
3.2冬季设计工况
冬季工况下，截面1舱室速度场分布（图8）与夏季工况的舱室速度场分布相似。从截面1的温度分布云图（图9）可以看出，天花板附近温度较低，人体表面附近温度较高，此外其余大部分区域温度均匀，大约为23℃到24℃。从截面1、截面2及截面3的PMV云图（图10～12）可以看出，天花板附近PMV值较低，人体表面PMV值较高，其余大部分区域PMV值均在-0.5到0.5之间，较为均匀。
通过数值模拟得出，截面2温度最大值为29.0℃，分布区域主要在人体模型附近，温度最小值为19.7℃，分布区域主要暴露侧壁附近，平均温度为23.4℃，由于截面2经过速度出风口，故其速度最大值较大，为0.83 m/s。截面3温度最大值为29.9℃，最小值为19.9℃，平均温度为23.6℃，且温度分布与截面1类似，速度最大值为0.31 m/s(由于篇幅，此部分截面速度及温度云图未给出)。
通过不同典型截面舱室温度场分布云图可以看出，冬季设计工况下，舱室大部分区域温度场分布非常均匀，温度约为23.5℃，满足我国舒适性空调调节冬季室内设计标准范围18～24℃;舱室大部分区域PMV值在-0.5到0.5之间，满足人体舒适性需求。布风器周围温度较高，在24℃～26℃之间。舱室下部暴露侧壁附近空气温度低于18℃。
4 总结
本文建立了采用布风器进行空调送风的典型舰船舱室的流体域数值试验模型，并进行了数值模拟计算。分别对舱室夏季设计工况和冬季设计工况的典型截面速度场，温度场及PMV场进行分析，同时比较了典型截面不同舒适性参数。结果表明夏季和冬季工况下，除送风口和出风口附近速度较大，舱内其他区域即人员工作区域速度场分布都较为均匀，速度均小于
0.3 m/s，满足我国舒适性空调标准给出的速度要求。无论是夏季设计工况还是冬季设计工况下，除暴露壁面附近温度差异较大之外，舱室大部分区域温度场分布都较为均匀，夏季工况平均温度约为24℃，冬季工况平均温度约为23.5℃，均满足舒适性空调标准。同样
的，夏季工况和冬季工况下PMV值也基本均在-0.5～0.5，满足舒适性空调标准。本文通过数值模拟对舱室两种工况进行了模拟研究和分析表明该典型舱室空调系统布置的合理性。
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