贴附射流在冬季对睡眠舱流场的影响研究*

袁东方, 张国庆, 高文峰, 王飞, 李晶金

(云南师范大学，云南 昆明 650092)

1 引言

相比于一般的旅店房间，睡眠舱具有空间占比少、住宿费用低和空间更私密等突出优点，符合节约型社会的发展理念.当前睡眠舱的主流通风设备为排气扇，噪音较大且对流场的扰动较大，一种介于混合通风与置换通风之间的新型送风模式——条缝型送风口形成的贴附射流[1-3]受到了国内外学者的关注.贴附通风射流的原理是利用康达效应(Coanda effect)推动空气附着在壁面上流动的一种空气运动方式，由于空气没有直接吹向人体，因此贴附射流运用在小微睡眠环境时可以有效地减弱人体的吹风感[4].

在低温的冬季，分子运动变得缓慢，人体代谢释放的CO2等污染性气体比夏季更容易堆积在人体周围，对睡眠舱入住人员的睡眠造成一定影响，而且低温环境下人体对吹风感更为敏感.基于此，本文利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件Fluent对睡眠环境进行通风换气模拟，探讨以5 ℃的较低初始室温下的贴附射流(水平贴附射流、竖直贴附射流和双贴附射流)以及送风量对室内气流场、温度场和CO2浓度场的影响，以便获得合理的送风方式，改善舱内睡眠环境.

2 物理模型

模拟对象几何尺寸为2.0 m×2.0 m×2.4 m；睡眠舱通常仅供一人入住，舱中设一张尺寸为1.9 m×0.6 m的单人床，床高0.35 m；床头桌尺寸为0.6 m×0.4 m×0.5 m.在空调紧挨顶板和左侧壁处均设有一尺寸为0.9 m×0.05 m 的条缝送风口，回风口的尺寸为0.2 m×0.2 m(如图1).

在睡眠舱内选取如图1(a)所示的A-E 5个高度为1.2 m的空间点作监测点.划分网格为非结构化网格，经网格独立性验证，选取最佳网格数量190万个，正交网格质量达到0.78.由于CO2释放流动为湍流，且考虑到贴附射流模式，湍流模型选为Realizable k-ε，开启组分运输模型对其扩散和浓度分布进行计算；启用Boussinesq假设考虑浮力效应，近壁面流动状态的描述采用标准壁面函数；小微空间内部人员头部温度恒为36.5 ℃，默认在低温状态下人体其他部位覆盖被褥，不考虑传热；墙面的辐射模型选择表面到表面；人体CO2释放量约0.248 6 L/min[5]；床、床头桌、空调外壁和墙壁壁面等均为无滑移固体壁面.冬季送热工况下，在假设围护结构保温性能良好且室内外最大温差不超过17 ℃的情况下，忽略热量损失.

(a)睡眠舱平面图 (b)睡眠舱立体图

由于送风模式、送风量、送风温度以及室内初始温度都对热环境到达稳态有较大的影响，故选取相同的初始室温以及恒定的送风温度，改变射流模式和通风量，模拟睡眠舱环境变化，通风工况如表1.

表1 通风工况

3 模拟结果与分析

3.1 舱内流场分析

3.1.1 不同贴附射流下的流线分析

选取X-Z截面(Y=1 m处)分析工况1-3下睡眠舱中形成的流线，如图2所示.

水平贴附射流中，气流先沿着顶壁流动，后向下沿着侧壁被送到人员睡眠区，射流厚度逐渐增加.冬季室内温度较低，吹出的热风温度较高，浮升力对射流的向下流动起阻碍作用[6]，但是由于到达睡眠区域的送风路径较短，射流到达睡眠区域时仍然具有较高的动量,造成右侧壁流速高，而左侧壁流速低，使得送入的新风与舱内空气能够较快混合，而且在人体周围形成卷吸作用，有利于降低呼吸区CO2浓度.

在竖直贴附射流中，气流从空调下方直接射出，初始动能有利于减弱热升浮力的影响.沿着地面发展的射流到达右侧壁后沿着侧壁上升，克服重力做功的同时伴随着动能的衰减.尽管在射流到达睡眠区时动能减小，但由于小微空间体积较小，卷吸作用被放大，有利于睡眠区域污染气体的扩散和排出.

双贴附射流是上述两种射流模式的组合，两个送风口同时送风，但为了保证相同的送风量，降低了初始的送风速度.两股气流在睡眠区域的右上方发生碰撞，并在小微空间的右上方角落处形成一个区域旋涡，不利于室内污染物的排出.

图2 三种贴附射流下的空间流线图

3.1.2 送风速度对气流场特征的影响

为了得到送风速度对不同贴附射流流场特征的影响，分别选取X-Z截面(Y=1 m处)和Y-Z截面(X=1.5 m处)分析不同送风量(45 L/s和60 L/s)下舱内气流场变化，如图3所示.

图3 三种贴附射流下不同截面的速度云图

研究表明，导致人感觉不舒适的最低风速约为0.25 m/s[7].水平贴附射流下，在送风量为45 L/s时，人体附近的气流速度在0.2 m/s左右，但在送风量为60 L/s时，超过了0.25 m/s， 这会干扰人的正常睡眠，表明此种送风模式下需降低送风量.竖直贴附射流下，由于送风路径较水平射流长，因此不同送风量下人头部附近的风速均较小;由于CO2的密度较大，因此下方CO2浓度会更高，竖直贴附射流正好使得底部区域风速更高，能够更好地带走CO2，降低污染物浓度.双贴附射流下，上述送风量的流场风速更低.

3.2 舱内温度场分析

设定初始温度为5 ℃，送风温度为22 ℃，开始送风后温度逐渐上升.送风量为45 L/s时，选定三个时刻(60、420 s和780 s)Y-Z截面(X=1.5 m处)的温度云图考察舱内温度的变化(如图4)，垂直方向有明显的温度分层.水平贴附射流中，热空气堆积在上层，下方区域温度上升较慢.竖直贴附射流可以更快地将暖风送达地面，有利于热量的传递，室内温度可以在更短的时间里达到稳态.双贴附射流中，送风速度低，室内温度上升最慢.

图4 三种贴附射流下不同时刻的温度云图(45 L/s)

增加送风量至60 L/s时，三个同样时刻的温度云图如图5所示.除了明显的温度分层现象外，增加送风量还减少了室温达到稳态的时间.总之，相同送风量时，竖直贴附射流下室温到达稳态的时间最短，送风量为45 L/s时，时间不超过780 s；送风量为60 L/s时，时间不超过540 s.

图5 三种贴附射流下不同时刻的温度云图(60 L/s)

3.3 暴露区域吹风感分析

风速的大小和空气温度在不同程度上影响着人员的舒适度，可以用吹风感比率(Draft Rate,DR)指标来进行量化分析.ISO7730定义的计算公式如下：

DR(%)=(34-T)×(U-0.05)0.62×

(0.37Utu+3.14);

式中，T，某点空气的温度，℃；U，某点的空气流速，m/s；tu，某点空气的湍流强度，取35%.在头部(暴露部位)附近取15个监测点(如图6(a)所示)用于计算头部吹风感.

图6(b)和(c)为三种不同送风模式下人头部区域的DR值.当送风量为45 L/s时，在不同的贴附射流下，水平贴附射流、竖直贴附射流和双贴附射流人员睡眠区域的DR 分别在2.1%～10.0%、2.4%～9.5% 和1.0%～6.1%的范围内；当送风量为60 L/s时，水平贴附、竖直贴附和双贴附射流下人员睡眠区域的DR 分别在1.5%～15%、2.1%～12.4% 和0.8%～4.9%的范围内.三种射流下睡眠区域的DR值都能满足ISO7730中推荐的不大于20%的要求.

(a)头部区域吹风感监测点 (b)监测点DR值(45 L/s) (c)监测点DR值(60 L/s)

3.4 舱内二氧化碳浓度分析

相关研究表明[8]，长时间处于CO2浓度大于10-3(体积分数，即1 000 ppm)的室内，人体的机能将受到不利影响.图7为Y-Z截面(X=1.5m处)CO2云图，由图7可知，水平贴附射流和竖直贴附射流在较小的送风量下就可以有效降低呼吸区域的CO2浓度；加大送风量虽然可以进一步降低CO2浓度，效果却并不明显.双贴附射流情况下呼吸区域代谢污染物浓度较高，加大送风量可以有效降低呼吸区的CO2浓度.

图7 CO2云图

4 结语

设计6种通风工况，采用CFD模拟探究冬季睡眠舱内气流场、温度场及CO2浓度场变化，具体结果如下：

(1) 贴附射流应用于小微睡眠空间可以有效地克服传统机械送风对人体周围流场扰动大的特点，三种射流下睡眠区域的DR值都控制在20%以内，有效地降低了人体的吹风感.

(2)室内温度上升至稳态的过程中，温度分层现象明显.由于热升浮力的作用，水平射流下室温的上升速度比竖直射流慢，竖直射流下室温到达稳定所需时间最短，而双贴附射流下室温上升最慢.

(3)由于双贴附射流的出风口面积较大，在同样的送风量下，送风速度较低导致其卷吸效果差，并且由于射流碰撞产生了涡旋，空间CO2浓度超标范围大.送风量在45 L/s时，竖直射流通风能力最强，水平射流次之，双贴附射流最差；增加送风量至60 L/s时，竖直射流通风能力仍保持最优，双贴附射流次之，水平射流最差.