舰船典型居住舱室气流场特性仿真分析

窦乔1，刘琦，余阳

(1.大连东软信息学院 计算机科学与技术系，辽宁 大连 116023；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

舰船空调通风系统设计的主要任务是为舱室提供安全舒适的室内空气条件，为舰员身心健康、设备正常运行乃至舰船战斗力的发挥提供充分保障[1]。设计合理的通风系统不仅要满足船舶建造规范对空气质量和通风量的要求，还需要确保舱室内气流组织合理，温度分布均匀，避免出现空气流动死角使局部热量或危险气体堆积[2]。近年来，随着计算流体动力学(CFD)和计算机技术的发展，CFD已经被广泛应用到船舶领域[3-9]。本文通过CFD模拟分析舰船典型居住舱段在夏季和冬季两种空调工况下的气流组织和温度分布，以此验证空调通风方式的效果。

1 舱段建模及网格划分

根据舰船典型舱段实际房间布置情况，对模拟区域进行简化建模。舱室中各个房间回风口为格栅式回风口，宽0.25 m，高0.40 m，底端距离地面0.15 m。各个房间的格栅式排风口相同，建立模型时将其简化为无格栅对应的有效面排风口。空调房间设有送风管与布风器连接，建模时仅考虑布风器，不考虑送风管。对该区域各个空调房间进行网格划分，在进行网格无关性验证后，选择如图1所示432万网格开展后续仿真计算。

图1 舱段网格分布

2 舱段边界条件描述

由于舱室实际工况较为复杂，模拟计算时将模拟区域各个边界条件进行合理的简化，各边界条件设置如下:舱段暴露侧壁，夏季工况下壁温取49 ℃，冬季工况下壁温取-18 ℃。墙体换热系数为1.57 W/(m2·K)。舱段上侧穿衣室、淋浴室、脱衣室及左下侧配电间相邻房间为非空调房间，根据船舶内相邻房间温差经验值，取穿衣室、脱衣室与空调房间夏季温差为6 ℃(夏季空调房间设计温度为27 ℃)，冬季温差为10 ℃(冬季空调房间设计温度为20 ℃)，即夏季外壁面温度取33 ℃，冬季外壁面温度取10 ℃；取淋浴室与空调房间夏季温差为6 ℃，冬季不设温差，即夏季外壁面温度取33 ℃，冬季外壁面温度取20 ℃；取配电室夏季和冬季外壁面温度均取40 ℃。

模型中与这些相邻房间之间的壁面的传热系数为1.12 W/(m2·K)。

各房间热负荷设置见表1。

表1 房间室内热扰参数

考虑空调房间与走廊及相邻非空调房间存在热量交换的情况，模型中设置内部壁面为换热壁面，壁面传热系数为1.12 W/(m2·K)。模型中顶板夏季工况下壁温取61 ℃，冬季工况下壁温取-18 ℃，传热系数为1.39 W/(m2·K)。室内热扰包括人员和照明，室内热扰折合成单位面积热流指标添加到地板上，不考虑室内其他设备发热。

舱段上下底板出风口设置为压力出口边界。模拟收敛条件设置为能量残差10-6，其余变量残差设置为10-3。

3 结果及分析

3.1 夏季工况模拟结果

根据夏季舱段室内外空调设计参数，模拟分析舱段夏季工况下室内空调效果的温度分布见图2，速度分布见图3。

图2 截面4温度分布图(0.6 m平面)

图3 截面4速度分布图(0.6 m平面)

由图2温度分布图可知，舱段夏季空调效果较好，空调房间室温分布在25 ℃～30 ℃之间，大部分区域满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22 ℃～28 ℃。

301室、302室、303室和304室仅有一侧为暴露侧壁，且暴露侧壁面积较小，壁面传热量较小，室温分布在25 ℃～27 ℃之间。

305室虽然只有一侧为暴露侧壁，但暴露侧壁面积较大，壁面传热量较大(即舱外向舱内传热量较大)，故室温略高于舱段上侧的4个房间，室温在27 ℃左右，与夏季室内设计温度27 ℃保持一致。

306室右侧及下侧均为暴露侧壁，壁面传热量很大，故室温较高，分布在26 ℃～30 ℃。走廊温度分布在26 ℃～28 ℃之间，靠近暴露侧壁区域温度较高，舱段内部区域温度较低。

由图3可知，舱段空调房间布风器下方风速较大，其他区域风速较小，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。由于舱室门上通风口高度与截面4高度接近，通风口处风速较大，约为0.6 m/s。

图4 截面5温度分布图(1.1 m平面)

图5 截面5速度分布图(1.1 m平面)

对比截面5温度分布图(图4)和截面4温度分布图(图3)可知，截面5温度分布和截面4温度分布相似，温度及温度分布区域大致相同。空调房间室温分布在24.5 ℃～30 ℃之间，大部分区域满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22 ℃～28 ℃。

由图5速度分布图可知，舱段空调房间除壁面处风速较大，达到0.4 m/s，其他区域风速较小，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。

图6 截面6温度分布图(1.4 m平面)

图7 截面6速度分布图(1.4 m平面)

图8 截面7温度分布图(1.7 m平面)

由图6温度分布图可知，截面6温度分布和截面4、5温度分布相似，温度及温度分布区域大致相同。空调房间室温分布在24 ℃～30 ℃之间，大部分区域满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22 ℃～28 ℃。

由图7速度分布图可知，舱段空调房间布风器下方风速较大，其他区域风速较小，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。

对比图8温度分布图和截面4、5、6温度分布图可知，空调房间截面7温度分布明显没有另外3个截面温度分布均匀，主要是应为截面7高度接近布风器送风口高度，并且每个舱室均布置2个布风器，2个送风口之间相互影响，气流较为混乱，布风器周围区域温度分布较杂乱。空调房间室温分布在24 ℃～30 ℃之间，大部分区域满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22 ℃～28 ℃。

3.2 冬季工况模拟结果

根据冬季舱段室内外空调设计参数，模拟分析舱段冬季工况下室内空调效果如下列温度分布图(图9)及速度分布图(图10)所示。

图9 截面4温度分布图(0.6 m平面)

图10 截面4速度分布图(0.6 m平面)

由图9温度分布图可知，舱段冬季空调效果较好，室温分布在17 ℃～23 ℃，基本满足我国舒适性空调调节冬季室内设计标准范围18 ℃～24 ℃。

301室、302室、303室和304室仅有一侧为暴露侧壁，且暴露侧壁面积较小，壁面传热量较小，故室温较高，分布在22 ℃～23 ℃之间。

305室虽然只有一侧为暴露侧壁，但暴露侧壁面积较大，壁面传热量较大，故室温略低于舱段上侧4个房间，室温在21 ℃左右。

306室右侧及下侧均为暴露侧壁，壁面传热量很大，故室温较低，分布在17 ℃～21 ℃。

走廊温度分布在17 ℃～20 ℃之间，靠近暴露侧壁区域温度较低，舱段内部区域温度较高。

与截面4夏季工况速度分布图比较可知，截面4冬季工况(图10)与夏季工况的速度分布基本相同。舱段空调房间布风器下方风速较大，其他区域风速较小，满足我国舒适性空调调节室内设计标准冬季室内风速不大于0.2 m/s的要求。由于舱室门上通风口高度与截面4高度接近，通风口处风速较大，约为0.6 m/s。

对比截面5温度分布图和截面4温度分布图可知，截面5温度分布(图11)和截面4温度分布相似，温度及温度分布区域大致相同，空调房间室温分布在17 ℃～23 ℃之间，基本满足我国舒适性空调调节冬季室内设计标准范围18 ℃～24 ℃。

图11 截面5温度分布图(1.1 m平面)

由图12冬季工况速度分布图可知，截面6冬季工况与夏季工况的速度分布基本相同。舱段空调房间布风器下方风速较大，其他区域风速较小，满足我国舒适性空调调节室内设计标准冬季室内风速不大于0.2 m/s的要求。

图12 截面6速度分布图(1.4 m平面)

对比截面7温度分布图和截面4、5、6温度分布见图13。

图13 截面7温度分布图(1.7 m平面)

由图13可知空调房间截面7温度分布明显没有另外3个截面温度分布均匀，主要是因为截面7高度接近布风器送风口高度，并且每个舱室均布置2个布风器，两个送风口之间相互影响，气流较为混乱，风器周围区域温度分布较杂乱。空调房间室温分布在16 ℃～23.5 ℃之间，基本满足我国舒适性空调调节冬季室内设计标准范围18 ℃～24 ℃。

4 结论

基于k-ε湍流模型对舰船典型舱段的气流组织开展的三维数值模拟分析表明，夏季工况下，舱段各典型高度平面温度及速度分布相似，空调房间温度分布较为均匀，基本满足我国舒适性空调调节夏季室内设计标准范围22 ℃-28 ℃；舱段除了房间门上的通风口附近风速较大外，其余区域风速较低，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。冬季工况下，舱段各个典型高度平面温度及速度分布相似，空调房间室温普遍在17 ℃～23 ℃，大部分区域基本满足我国舒适性空调调节冬季室内设计标准；舱段除了布风器附近风速较大外，其余区域风速较低，满足我国舒适性空调调节室内设计标准冬季室内风速不大于0.2 m/s的要求。数值仿真验证了舰船典型舱段在空调工况下气流组织的合理性。