典型客舱冷梁空调系统气流组织数值模拟

2021-12-17谢鹏钱作勤甘念重任杰张羽佳胡天宇

船海工程 2021年6期

谢鹏，钱作勤，甘念重，任杰，张羽佳，胡天宇

(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063)

常规船用空调系统皆以循环风来移除室内余热，但同时伴随着吹风感等热舒适性不佳的问题[1]。为提升游客在邮轮上的生活体验，邮轮的设计与建造除满足常规船舶的规范要求之外，还必须提高其热舒适性。主动式冷梁作为一种辐射供冷装置，可有效提高室内热舒适性[2]。主动式冷梁被广泛应用于对室内热舒适性要求比较严格的场合，如分隔或者敞开办公室、酒店房间、医院病房、零售商店[3-4]，其在邮轮中的应用具有广阔的前景。为了保证客舱热舒适性，降低设计成本，提高设计效率，利用Airpak软件对2种空调通风系统的气流组织进行模拟，为典型客舱空调系统设计提供参考。

1 典型客舱区域计算模型

1.1 设计参数

主动式冷梁与室内环境之间的热交换主要是通过辐射、对流形式进行[5-7]。选择1台某品牌型号为FTLZL210/C-3000/300的主动式冷梁作为该豪华邮轮客舱空调末端。该型号产品结构尺寸参数见表1。

表1 主动式冷梁结构参数表

豪华邮轮典型客舱长7 m、宽3 m、高2.4 m，舷窗宽1.9 m、高2 m，舱门宽0.8 m、高2 m。舱内初始条件按照舱内设计温度26 ℃、相对湿度55%进行设置。由舱壁传入热量为1 064.8 W，舱内2名旅客的显热为75 W，潜热55 W，散湿量为0.030 3 g/s、饮水机散热功率500 W、电视机散热功率300 W、荧光灯散热功率30 W，回风口中心点为X=0.4 m，Y=0.5 m，Z=3 m，回风口长0.4 m、宽0.4 m。

模拟舱室A采用冷梁空调，模拟舱室B采用风机盘管空调。

舱室A中冷梁中心点为X=4.5 m，Z=1.5 m，Y=2.4 m，送风口位于冷梁下表面，冷梁结构尺寸见表1，送风速度为1.13 m/s，送风温度为20.3 ℃，含湿量为11.24 g/kg，相对湿度74%。

舱室B中传统风机盘管位于舱门正上方，送风口长1.2 m、宽0.1 m，送风速度为2 m/s，送风温度18 ℃、含湿量为11.65 g/kg，相对湿度89%。

1.2 计算模型

根据实际客舱模型和室内设备分布，利用Airpak软件建立数值模拟物理模型，客舱内部陈设见图1。

图1 模拟房间布局示意

客舱计算域采用结构化网格划分，由于送风口、回风口及热源周围(照明灯、饮水机、电视机以及人体)温度和速度梯度较大，对这些区域进行局部加密细化，以提高网格质量。

2 计算结果

2.1 温度场对比分析

旅客日常活动区域为距地面0.5～1.5 m，取距舱室地面1.1 m(人体坐立头部高度)高度截面的温度场进行分析[8-10]。舱室A、B中y=1.1 m水平剖面温度分布情况见图2。

图2 模拟舱室y=1.1 m剖面温度分布

由图2可见，采用冷梁空调系统的舱室A温度分布更加均匀。舱室A中主动式冷梁安装在舱室顶部，主动式冷梁通过辐射和对流的方式维持舱内空气品质，主动式冷梁送风速度小，对舱内气流扰动较小，人体活动主要区域温度为26 ℃左右，旅客甲与旅客乙周围温度约为26 ℃，温度场分布均匀。而舱室B中舱内冷负荷由风机盘管送风来处理，风机盘管安装于舱门上方，送入舱内冷量沿射流气流扩散方向传递，因此从舱门至舷窗温度逐渐升高，人体活动区域温度在24～27 ℃之间，旅客甲周围温度约为27 ℃，旅客乙周围温度约为25 ℃，温度分布均匀性较差。

2.2 速度场对比分析

舱室A和舱室B中y=1.1 m水平截面风速分布情况见图3。舱室A中，舱室人体主要活动区域风速在0.1～0.2 m/s之间，旅客甲与旅客乙周围空气流速均在0.1 m/s左右，关于速度的热舒适性较好。在舱室B内风速波动较大，人体主要活动区域风速在0.4～0.8 m/s之间，旅客附近风速均在0.4 m/s以上，吹风感明显，舱室B中关于速度的热舒适性较差。