客滚船住舱气流组织的数值模拟研究

2020-05-25苏石川陈佳敏邹燚涛高志刚王均毅

科学技术与工程 2020年10期

苏石川, 陈佳敏, 邹燚涛, 高志刚, 王均毅, 施红

(江苏科技大学能源与动力工程学院，镇江 212003)

大型船舶受海上环境与自身性能的影响，舱室内环境舒适性直接影响船上人员的工作效率与心情[1-2]。现有的高端客滚船住舱大多设有床、沙发、写字桌、壁橱、衣柜以及卫生单元等大型家具及设施，其内部结构紧凑、装修豪华。住舱一般位于客滚船上层建筑的1～2层，多用于为船员及旅客提供良好的休息环境。因此，如何改善客滚船住舱等深海客运船舶舱室环境的舒适性，提高船员的工作效率以及保障乘船人员的身心健康成为人机环境等相关学科的研究热点[3]。同样的，载人空间内的环境舒适性也是世界各国航空、船舶以及汽车等工业领域的重点研究对象[4-5]。客滚船住舱环境舒适性评价方法的提出可以丰富船舶舒适度评价的理论体系，提高中国豪华邮轮等高技术、高附加值船舶的建造能力。湖南大学安朴艳[6]进行了室内气流组织及颗粒物分布的数值模拟研究，在考虑人体舒适性的前提下，发现同侧下送上回的空调系统送风方式最优。王琳等[7]提出了基于复合形法的实时节能舒适控制方法，并在夏热冬冷地区办公建筑内利用此方法验证了实时节能舒适控制的可行性。Bourdakis等[8]对辐射制热与供冷系统从热舒适性角度进行了全面的综述分析，研究结果表明辐射空调系统的热舒适性好、能源利用效率高。Markus等[9]的室内热环境实验表明，在空气温度较高时，人体可以承受相对较高的空气流动速度，在较冷的环境中人体更加适应通风速度较低的环境。柴婷等[10]考虑船舶舱室热环境的特殊性，建立了合理的计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值仿真模型。依据模型及其计算结果，参考PMV-PPD热舒适性评价指标和DNV COMF.C(3)规范，对舰船空调系统的气流组织进行优化以提高热舒适性。唐敏等[11]建立了室内对流环境中的人体热反应模型，可用于各种对流空调环境下的人体生理参数预测，为新型对流空调系统设计、评估及修正提供参考。上述研究工作为客滚船住舱气流分布的优化设计及舱室的可居住性提供了理论基础和技术参考。

鉴于以上研究，从客滚船住舱的热环境因素、舒适性与经济性等方向着手，以某在建豪华客滚船住舱为参照，建立舱室模型，进行客滚船住舱气流组织数值模拟。计算得出热舒适性评价指标预测平均评价(PMV)，预测不满意百分比(PPD)分布图并重点研究其分布特征，从而对比辐射空调系统与传统船用空调系统的室内舒适性；此外，根据能量利用系数值对比两种空调系统的经济性。

1 物理模型及数值方法

1.1 计算模型

根据某客滚船建造平面图纸，建立了单人住舱(左舷)的几何模型，如图1所示。其外形尺寸为5 m×2.2 m×2.5 m，舱内部分设备的基本尺寸与坐标位置如表1所示。

图1 客滚船单人住舱(左舷PS)几何模型

1.2 船舶舱室空调系统

船舶具有较强的移动性，其所处的环境气候变化复杂，与一般的陆用空调系统存在明显的区别：①船舶航区广阔，气候变化明显，热、湿负荷变化大；②船舶起居生活空间小、相对密闭，需要较高的空气调节质量；③设备舱热、湿负荷集中，部分操作设备与器械对环境要求高；④船舶类型众多，不同功能的船舶对于舱室内空气环境要求不同。虽然船舶的特殊性使得船舶空调系统具有更严格的设计要求，但其空调系统的应用形式与空气调节原理依然与陆用空调保持一致。

表1 单人住舱(左舷PS)几何模型参数表

常规空调系统完全由空气来改善室内环境舒适性。在夏季，常规船用空调制冷系统由冷水机组产生冷媒水，冷媒水经空调器内的冷却器与送风机送入的室外空气进行热交换，再通过传热回转轮进行除湿和冷却；最后，新鲜空气经消声室和空气分配箱，由布风器进入船舶住舱调节室内环境。在冬季，空调系统的热源为蒸汽。

辐射空调系统包括毛细管空调与辐射吊顶空调，其基本形式均为辐射吊顶板。辐射板仅占用10 mm的吊顶空间，非常适用于船舶舱室空间。现提出一种节能型客滚船住舱辐射供冷/暖配合独立新风空调系统。在夏季，系统可以利用温度较低的海水进行辐射供冷以减少冷水机组的供冷量；在冬季，系统可以利用船舶排放的中低温废气进行住舱辐射供暖以增加船舶低品位热源的利用效率。

1.3 客滚船住舱负荷计算

1.3.1 夏季住舱内显热冷负荷

夏季工况下，客滚船住舱空调系统的显热冷负荷即室内得热量主要包括：围护结构传入热、人员及设备散热、照明散热。总显热冷负荷为

∑Φ1=q+qp+ql+qε

(1)

式(1)中：∑Φ1为显热冷负荷即室内的热量，W；q为舱内传入热量，W，由朝阳舱壁、过道舱壁、船舷玻璃窗的传入热量，需要说明的是：其他室内舱壁均分隔的是空调舱室，因此可以忽略他们之间的传热；q由式(2)计算。qp为人体散热量，W，该热量值等于室内人数的总发热量，个体人员的发热量包括显热量和潜热量，当舱内空气温度取设计温度26 ℃时，室内人员的活动状态为轻松活动状态，则显热为50 W，潜热为66 W；ql为住舱内灯具散热量，W；qε为冰箱、电视机等设备散热量，W。

∑q=q1+q2+q3

(2)

式(2)中：q1为朝阳舱壁传入的热量，W，由式(3)计算。

q1=k1A1(td-tn)

(3)

式(3)中：k1为阳面舱壁隔热结构传热系数，W/(m2·K)；A1为除去玻璃舷窗面积的舱壁面积，m2；td为舱外计算当量空气温度，℃，阳面舱壁外当量空气温度为67 ℃；tn为舱内设计空气温度 ℃；q2为过道舱壁传入的热量，W，由式(4)计算。

q2=k2A2Δt

(4)

式(4)中：k2为室内舱壁隔热结构传热系数，取1.16 W/(m2·K)；A2为室内各舱壁面积，m2；Δt为相邻舱室之间的温差，K，取空调舱室与过道的温差为2 K。

q3为玻璃舷窗传入的热量，W，由式(5)计算。

q3=k3A3(ta-tn)+GsItA3

(5)

式(5)中：k3为玻璃舷窗传热系数，取k3=3.5 W/(m2·K)；A3为玻璃舷窗面积的有效传热面积，m2；ta为舱外设计空气温度，℃；Gs为双层舷窗玻璃太阳辐射热透射率，取为10%；It为船舶舱室接收的太阳辐射强度，W/m2，其计算过程如下：

对于太阳辐射I而言，其计算式为[12]

I=ID+IS

(6)

ID=I0cosθ

(7)

(8)

(9)

IS=I0pM(1-pM)/[2(1-1.4lnp)]

(10)

cosθ=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(11)

式中：ID为太阳直射辐射强度，W/m2；IS为太阳散射辐射，W/m2；I0为太阳常数；dM为日地距离修正系数；Pao为大气压力，Pa；p为大气透明系数，p=0.67～0.7；M为大气光学质量；θ为天顶角；φ为当地纬度，(°)；δ为太阳赤纬角，(°)；ω为太阳时角，ω=π(τ-12)/12，其中τ为当地时间，h。则以日角X为变量时，太阳赤纬角δ和日地距离订正系数dM按照式(12)～式(15)进行计算：

日角X为

(12)

式(12)中：若把365 d对应于区间[0,2π]，取D1为一年中的日数(1月1日D1=1，12月31日D1=365)；日数

D0=79.676 4+0.242 2年份-1 985 -INT[(年份-1 985)/4]

(13)

太阳赤纬角

δ=0.372 3+23.256 7sinX+0.114 9×

sin(2X)-0.171 2sin(3X)-0.758cosX+

0.365 6cos2X+0.020 1cos(3X)

(14)

日地距离订正系数

dM=1.000 109+0.033 494cosX+

0.001 472sinX+0.000 768cos(2X)+

0.000 079sin(2X)

(15)

根据以上太阳辐射特性的计算模型，可以获得全年任意时刻某一地理纬度下单位面积的太阳辐射强度。根据太阳能光线空间传播特性，结合客滚船上层建筑的几何特征，则某一时刻到达其表面的太阳辐射强度It由式(16)计算。

(16)

cosα=sinφcosβsinδ-cosφsinβcosγcsinδ+

cosφcosβcosδcosω-sinφsinβcosγc×

cosδcosω+cosδsinβsinγcsinω

(17)

式中：α为客滚船舷侧玻璃窗太阳直射辐射的入射角；β为阳面舱壁的倾角，客滚船上建舱壁基本为竖直状态，故计算过程中取β=90°；γc为向阳舱壁方位角，主要取决于船舶行驶的航线与航向；现以长江三角洲流域的长江中下游航线为代表，船舶航向基本为由西向东，或由东向西，故取γc=0°。

通过Visual C++对上述计算模型进行编程，从而获得某客滚船夏季日阳面舱壁外表面所接收的太阳辐射强度的计算程序，进而可以确定某客滚船住舱内热环境模拟过程中阳面舱壁所应设置的热边界条件。

1.3.2 冬季住舱内热负荷

冬季工况舱内热损失φ′(W)按式(18)计算:

Φ′=∑Δt(kvAv+kgAg)

(18)

式(18)中：Δt为空气温差，K；kv为Av面积的热系数，W/(m2·K)；Av为扣除舷窗和矩形窗后的面积，m2；kg为Ag面积的热系数，W/(m2·K)；Ag为舷窗和矩形窗的面积，m2。

客滚船住舱冬夏季负荷计算结果如表2所示，客滚船夏季得热量(冷负荷)为单人住舱554 W；冬季热损失(热负荷)为单人住舱197 W。

1.3.3 空调系统湿负荷

客滚船住舱内的湿负荷主要来源是室内人员散湿。成年人散湿量根据式(19)计算，得到单人住舱的总散湿量为109 g/h。

Wp=nφ′g′

(19)

式(19)中：n为住舱内固定人员数；φ′为群集系数，这里取0.8～1；g′为成年人体在轻微劳动下的散湿量为109 g/h。

表2 客滚船住舱负荷汇总

1.3.4 住舱风量计算

(1)空调系统新风风量计算。根据住舱内湿负荷，可由式(20)计算住舱新风风量，常规空调系统单人住舱新风风量为32.44 m3/h。辐射空调系统单人住舱新风风量为28.035 m3/h。据规定办公环境下单个人员的供给新风量不得小于30 m3/h，显然，设计状态点的空调系统可以有效调节室内湿负荷。但考虑船舶结构及其航行环境的特点，将住舱内单个人员的新风量调整为40 m3/h。

(20)

式(20)中：Vw为新风量，m3/h；WN为舱内湿负荷，g/h；ρ为舱内空气密度，取1.2 kg/m3；dN为舱内设计状态点的含湿量，取10.5g/kg；dO为送风状态点的含湿量，g/kg，夏季工况下，常规客滚船住舱空调系统送风状态点取18 ℃，相对湿度为60%，则取dO=7.70；辐射空调系统送风状态点取20 ℃，相对湿度为50%，则取dO=7.26 g/kg。

(2)常规空调系统送风风量计算。根据住舱内冷负荷，可由式(21)计算住舱常规空调系统送风量，单人住舱送风量为108.6 m3/h。

(21)

式(21)中：V为送风量，m3/h；Φ为舱内冷负荷，W；hN为舱内设计状态点的焓值，hN=52.91 kJ/kg；hO为送风状态点的焓值，hO=37.61 kJ/kg。

1.4 数值方法

根据空调房间内空气流动状况与热工环境的特点[13-16]，模拟室内空气流动时所采取的假设和前提可以总结为：客滚船住舱内的空气流动处于常温、低速、不可压缩状态，并符合理想气体状态方程与Boussinesq假设；舱内空气流动过程伴随着对流传热以及辐射换热的热交换方式。因此，本研究采用标准k-ε模型。其控制方程[17]为

(22)

(23)

式中：Gk为速度梯度引起的湍动能增量；Gb为浮生力引起的湍动能增量；YM为可压缩湍流流动中的脉动膨胀；C1ε、G2ε为经验常数；σk、σε为湍流普朗特数；Sk、Sε为源项。

(24)

式(24)中：Cμ为经验常数。

1.5 网格划分

对上述单人住舱(左舷)的几何模型运用非结构化的六面体网格进行网格划分，并且在人体及送回风口边界处进行网格加密。网格的质量关系到计算效率和计算精度，通常采用雅可比行列式(Jacobian matrix)来判断六面体网格的质量。如果网格质量的值接近1，则表明网格质量好，但如果其网格质量的值小于0.15，那么其网格是高度扭曲的，网格质量差。在进行正式的数值计算之前，对单人住舱(左舷)做了网格独立性验证，在网格生成过程中，分别记录了不同网格数(5×104、10×104、15×104、20×104、25×104、30×104、35×104)时进出口压降、出口温度、进口速度的变化，各参数在网格数25×104～35×104时变化幅度趋于平缓，因此在各舱室模型中生成的网格数量均不低于25×104，具体如下所示：结合单人住舱几何尺寸，网格X、Y、Z方向的最大尺寸分别定为0.05、0.05、0.05 m，经计算，细密网格参数报告如下：NODES:356 234、HEXAS:335 274、QUADS:425 58、Faces+solids:128，图2是单人住舱网格示意图。

图2 单人住舱网格示意图

客滚船单人住舱几何模型所生成的网格质量值接近于1，说明网格划分质量较好。

1.6 边界条件

1.6.1 舱壁热流密度

根据舱壁位置不同，舱壁可以分为太阳直射舱壁即阳面舱壁、上下舱壁，空调房间之间的舱壁及过道舱壁。不同舱壁的热边界条件分别采用第一类边界条件和第二类边界条件或第三类边界条件，表3给出所有舱壁的热边界条件。

1.6.2 舱室内热负荷

表4给出了住舱内的各项热源，其主要涉及人员与设备的散热量以及太阳辐射热。其中，太阳辐射带来的热负荷由1.3.1节计算可得。

表4 客滚船住舱内热源

1.6.3 送回风参数

客滚船住舱送风口一般设计为圆形，布置于舱室顶部。除特殊要求以外，客滚船住舱一般不设置回风口，主要通过舱门上的回风格栅或缝隙进行回风。另外需要说明的是：客滚船住舱均设有独立的卫生单元，卫生单元存在独立的新风系统，其内气流不与住舱内的流场相互混合。另外，仿真计算过程中设置住舱内流场回风条件为环境压力与温度。模拟计算过程中送回风参数设置如表5、表6所示。

表5 客滚船住舱常规空调系统送回风参数

表6 客滚船住舱辐射空调系统送回风参数

2 模拟结果及其分析

PMV与PPD是目前运用最为广泛、权威的评价热环境舒适性的指标。PMV值的含义是预测平均评价，代表的是同一室内热环境中大多数人冷热感觉的平均，故该值为表征人体冷热感觉的全面评价指标。PMV取值范围为-3～+3，当PMV值为0时，热环境中的人员感觉最舒适。由范格尔教授提出的预计热指标PMV方程被广泛运用于热环境舒适性评价，而通过PMV值得到另外一个评价指标PPD，PPD值的含义是预测不满意百分率，PPD值越低说明热环境舒适性越高。不同的人对冷热感觉的差别取决于人体长期所处的热环境，因此不同的人的冷热感觉不同，而PPD指标则可以消除个体热感觉差异对于评价标准的影响。ISO7730中推荐PMV-PPD指标的适宜范围：-0.5