某极地船会议室的气流组织方案分析

2018-11-14刘春江许恋斯华呈新

船舶与海洋工程 2018年5期

刘春江，许恋斯，胡浩，华呈新

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引言

随着极地航区得到逐步开发和极地区域的油气、生物等资源得到广泛关注[1]，各国对极地航区船舶的需求量逐步增加。极地航区船舶在满足货物运输需求的同时，必须满足船上工作人员对热舒适度的要求[2]。

极地航区船舶的居住舱室、公共区域舱室等空调环境舱室内的气流分布情况与其他航区船舶不尽相同。本文借助仿真分析技术，在设计极地航区船舶的空调通风系统前期，对舱室内部的气流组织进行仿真分析，得出极地多用途集装箱船舱室内的温度场、空气龄和速度场的分布情况；采用定性分析的方法对比分析不同的通风布置方案，优化舱室内通风系统的设计方案，提高船上工作人员的热舒适度，并指导最终的通风设计[3]。以冬季工况为主进行温度场、空气龄和速度场分布研究，分析得出更有利于提高人体舒适度的通风末端布置方案；同时，在夏季工况下校核该方案的气流组织分布情况，为未来建造极地航区船舶提供参考。

1 会议室通风布置设计方案分析

1.1 会议室通风布置设计方案

船舶舱室内的空气环境主要通过全船的中央空调设备来控制，极地航区船舶的中央空调设备与常规航区船舶的中央空调设备的最大不同点为：在考虑全航区航行的情况下，二者冬季外部环境温度至少有10℃的差值。根据极地多用途集装箱船建造说明书上的要求，其冬季外部环境温度设置为-30℃，而常规货船的冬季外部环境温度一般设置为-15℃，15K的温差使得该船型的冬季工况具有一定的特殊性。同时，会议室作为公共舱室，会因人员聚集而产生大量的CO2并出现人员呼吸热的情况，这对会议室的气流组织布置提出较高的要求，既要保证室内空气的新鲜度符合要求，又要考虑人员的热舒适度需求。因此，需对冬季工况下极地多用途集装箱船会议室内的气流组织布置进行分析研究。

会议室通风布置设计方案综合考虑会议室的受热面、人员在舱室内集中的区域、外部通风管路的排布及实际建造的难易程度，主要分为2种通风末端布置设计方案，旨在通过改变布风器的位置来改善舱室内气流组织的各项指标（见图1和图2）。通风布置设计方案主要采用上送上回的通风方式，将日晒舱壁作为会议室的正面舱壁。方案A是将3台送风布风器向正面舱壁呈品字型布置；方案B是将3台送风布风器向正面舱壁呈倒品字型布置。

图2 方案B气流组织布置图

1.2 通风布置设计方案仿真分析

利用FloEFD流体仿真计算软件对冬季工况下2种通风布置设计方案进行仿真计算，根据得到的结果对2种方案进行对比分析，选出室内各项气流组织指标较优的设计方案，并验证该方案在夏季工况下同样满足舒适性要求，最终得到适合极地多用途集装箱船的会议室通风布置设计方案。

1.2.1 数学模型

实际上影响舱室内气流温度和速度分布的因素有很多，为了使数值分析结果对实际设计有指导作用，在设置模型时对一些能影响整个舱室的温度和速度流场的因素进行细化处理，包括：细化通过舱室外部向内传递的传热量[4]；细化公共舱室内的家具模型；考虑会议室内的人员活动，并在模型中予以体现。

舱室内部的热量交换以对流换热形式为主，考虑内部流体流动的连续性，其数值分析所需的对流换热能量方程[5]为

连续性方程[5]为动量方程[5]为

式(1)～式(5)中：λ为导热系数，W/ (m2·K )；qV为体积内热源；qR为辐射热源；ρ为密度；Cp为比热；t为温度；Fx、Fy和Fz分别为3个方向上的截向力；μ为黏度；τ为时间常数。

为简化数值求解过程，不考虑上述方程式中的时间常数，即将该公共舱室的求解问题简化为三维稳态导热问题。

1.2.2 物理模型及边界条件

会议室的尺寸为 5.5m×4.8m×2.1m，内部含有 1个电视柜、1台电视机、1张会议桌和 16张尺寸为0.65m×0.65m×1.21m的椅子，采用3台顶部布风器送风、1个顶部回风格栅和 1个侧壁舱门上回风格栅回风。舱壁分为日晒舱壁和与房间相连的普通舱壁，其中日晒舱壁上拥有4扇窗户。

整个会议室的总网格数为181436个，为更好地对会议室内人员周围的热量传递区域面进行求解，对局部网格作细化处理（见图3）。

图3 模型剖面网格

空调系统设计参数（外部环境参数）为：夏季+35℃，相对湿度70%；冬季-30℃。舱室内温度和湿度要求为：夏季+27℃，相对湿度50%；冬季+20℃，相对湿度50%。根据计算流体力学的基本原理和会议室的数学模型假设，需设置若干个边界条件，主要分为入口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件和室内热源。

1) 冬季边界条件如下。

(1) 入口边界条件：天花板上3台布风器的总送风量和送风温度分别为840m³/h和32℃。

(2) 出口边界条件：天花板上回风口的总回风量为825m³/h；门上回风格栅的回风温度为20℃；出口压力设置为环境压力。

(3) 壁面边界条件：会议室舱壁分别设置为日晒舱壁（1473W）、日晒舱壁上的窗户（480W）及其他舱壁（191W）这几部分传热量。

(4) 室内热源：根据空调设计手册的要求[6]，人员负荷热为55W/人，会议室内14位工作人员的总散热量为770W，电视机设备的散热量为200W，且在有日照的情况下不考虑舱室内照明设备的负荷热[6]。

2) 夏季边界条件如下。

(1) 入口边界条件：会议室的吊顶天花板上布置有 3台布风器，总送风量和送风温度分别为 840m³/h和17℃。

(2) 出口边界条件：会议室的天花板上的回风口的总回风量为 825m³/h；门上回风格栅的回风温度为27℃；出口压力设置为环境压力。

(3) 壁面边界条件：会议室舱壁分别设置为日晒舱壁（595W）、日晒舱壁上的窗户（376W）及其他舱壁（230W）这几部分传热量。

(4) 室内热源：夏季室内热源与冬季室内热源一致。

2 方案仿真结果分析

经过仿真分析，得出方案A和方案B的仿真结果。为体现会议室内人员热舒适度的情况，选取3个具有代表性的截面上的温度、空气龄和速度分布情况进行相应的定性分析，以体现方案的合理性。第1个截面为Z1=1200mm，即选取人员坐在舱室内标准座椅上的舒适性，这是由于人处于坐姿时的普遍高度约为1200mm[7]。第2个截面为Z2=800mm，第3个截面为Z3=500mm，这是考虑到在舱室内人员的腿部也会处于受风状态，因此选择这2个高度的截面作为体现人员热舒适度的表征之一。

2.1 冬季工况下的方案对比结果

2.1.1 室内温度分布

图4给出冬季会议室内不同高度下方案A和方案B的温度场分布情况。由图4可知：在方案A中，室内高温区域较多，尤其是在天花板顶部的布风器附近，室内整体温度范围为20～29℃，温差在9K左右，人员腿部及头部的感受温差过大，腿部吹风易引起人员的不舒适感；在方案B中，虽然室内整体温度范围为19～26℃，但温差在7K左右，温差跨度较小，温度分布比方案A更均匀，人体感受也更舒适；同时，在相同高度下，方案B中各截面的温度分布也比方案A更均匀，没有方案A中明显高于截面大部分区域的温度峰值出现；此外，方案B的布置能有效降低日晒舱壁附近流体的温度，靠近日晒舱壁的人员周围的流体温度有一定程度的下降。因此，将2台布风器调整到靠近日晒舱壁侧的方案B确实能改善会议室内的温度分布。

图4 冬季会议室内不同高度下方案A和方案B的温度的分布情况

2.1.2 冬季室内空气龄分布

空气龄可用来综合衡量室内的通风换气效果，是评价室内气流环境合理性的重要指标。图5给出冬季室内不同高度下方案A和方案B的空气龄分布情况。由图5可知：方案B中高速送风区域靠近窗户处的舱壁区域的空气龄优于舱室内的其他区域，同时方案B中室内整体的低空气龄区域面积也大于方案A。越是远离送风口的区域，其空气龄数值越大，说明远离送风口区域的空气品质不良，且越靠近上部送风口，周围的空气龄数值范围越广。这是由于冬季所送空气为暖空气，密度较小，易积聚在舱室顶部。在方案A中，舱室一侧座位中间位置处出现高空气龄区域，这会对该侧人员呼吸的空气产生影响；在方案B中，舱室后部位置处出现高空气龄区域，该区域不仅面积小，而且无人员，对人员的影响较小，这是由于方案B将2台布风器移动到窗边，大部分送风口与回风口的距离变大，新鲜空气在舱室内停留的时间延长，室内空气的新鲜度得到提高。因此，能为会议室提供较小空气龄的方案B更具有优势。

图5 冬季室内不同高度下方案A和方案B的空气龄分布情况

2.1.3 冬季室内速度分布

图6为冬季室内不同高度下方案A和方案B的速度分布情况。从图6中可看出：送风口附近风速较大，且靠近窗户一侧舱壁的风速普遍大于舱室内其他位置处的风速，这是考虑到窗户的热量传递性较强，选择方案B的布置方式，较大的风速能起到风幕的作用，在冬季工况下有效防止舱室内的热量向外传递；同时，人员座位附近区域均设置为低风速环境，降低人体的吹风感，提高人员的舒适性。这主要是因为方案B中只有1台送风布风器距离天花板回风口较近，没有出现“气流短接”效应，使得气流能在室内充分、均匀地流动。方案A虽然在正面舱壁处也有风幕区域，但在后部人员座位两侧均出现高一个数量级的风速区域，人员会有明显的吹风感，舒适性不如方案B。

图6 冬季室内不同高度下方案A和方案B的速度分布情况

对于冬季会议室的2种通风布置方案，从温度分布、空气龄和速度分布等3个指标入手，分析得到方案B的气流组织分布情况较优，且在温度均匀性、空气新鲜程度和人体吹风感等3个方面均优于方案A。因此，在极地环境下（即空调设备的冬季工况），会议室的通风布置设计选择方案B。

极地多用途集装箱船的空调装置是考虑全航区的情况设计的，因此方案B在夏季工况下是否同样满足舒适性要求也需通过流体仿真软件进行计算，并得到相应的计算结果。

2.2 夏季工况下的方案对比

2.2.1 夏季室内温度分布

图7为不同高度下方案B的夏季室内温度分布对比。由图7可知，方案B在人员活动区域的温度分布均匀，尤其是在日晒舱壁和窗口负荷较大的情况下，方案B依然能满足靠近日晒舱壁的人员对周围流体温度的要求。

图7 不同高度下方案B的夏季室内温度分布对比

2.2.2 夏季室内空气龄分布

会议室作为公共舱室，人员会在短时间内大量聚集于此，因此对舱室内空气的新鲜程度要求更高。图8为不同高度下方案B的夏季室内空气龄分布对比。由图8可知，方案B室内的空气龄分布均匀，靠舱门和窗侧人员周围的空气龄大部分处于220s左右。

图8 不同高度下方案B的夏季室内空气龄分布

2.2.3 夏季室内速度分布

图9为不同高度下方案B的夏季室内速度分布对比。由图9可知：方案B中人员活动区域的速度分布均匀，站立位、座位及腿部的气流速度基本上处于 0.05m/s左右的低速状态，人体不会有明显的吹风感，对于在舱室内办公的人员来说舒适性相对较高；夏季工况下方案B中高风速区域集中在靠近易传递热量的窗户侧舱壁区域，与冬季工况类似，在贴近舱壁处的一层高速区域起到“风幕”的作用，能有效阻隔外界传入的热量。