艦船典型集體防護(hù)區(qū)域艙室環(huán)境數(shù)值模擬

杜紅霞，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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艦船典型集體防護(hù)區(qū)域艙室環(huán)境數(shù)值模擬

杜紅霞，王俊新

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

為優(yōu)化集體防護(hù)區(qū)域艙室環(huán)境，采用流體計(jì)算仿真軟件Airpak對(duì)典型集體防護(hù)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，通過設(shè)置合理的設(shè)計(jì)參數(shù)、建模并劃分網(wǎng)格，得到集體防護(hù)區(qū)域壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，計(jì)算結(jié)果表明，集體防護(hù)區(qū)域內(nèi)超壓值分布合理，艙室溫度、風(fēng)速符合人員生活、工作的舒適性要求。

集體防護(hù)區(qū)域；艙室環(huán)境；數(shù)值模擬

核生化條件下，水面艦船集體防護(hù)系統(tǒng)利用濾毒通風(fēng)裝置濾除外界空氣中含有的放射性灰塵、生物戰(zhàn)劑、毒劑氣溶膠及蒸氣后，將潔凈空氣送入集體防護(hù)區(qū)域內(nèi)，與其周界上的超壓控制設(shè)備協(xié)同[1]，在集體防護(hù)區(qū)內(nèi)建立一定的超壓，阻止外界環(huán)境中核生化污染物進(jìn)入集體防護(hù)區(qū)，使艦員在無需佩戴個(gè)人防護(hù)裝備的情況下完成作戰(zhàn)任務(wù)。集防區(qū)內(nèi)艙室壓力、溫度、氣流速度分布直接影響集體防護(hù)的效果和人員的舒適性，目前空調(diào)艙室的數(shù)值模擬已經(jīng)成為常見的設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段，但是集防區(qū)艙室的數(shù)值模擬尚未見報(bào)道。本文利用流體計(jì)算仿真軟件Airpak對(duì)集體防護(hù)區(qū)域內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，為集體防護(hù)區(qū)域氣流組織提供參考。

1 典型集體防護(hù)區(qū)域設(shè)計(jì)參數(shù)

選擇典型集體防護(hù)區(qū)(見圖1)進(jìn)行氣流組織仿真研究，該區(qū)域長(zhǎng)26 m、寬12 m、高2.4 m，共11個(gè)空調(diào)艙室，21個(gè)布風(fēng)器。布風(fēng)器向艙室內(nèi)送風(fēng)，一部分通過回風(fēng)口排出；另一部分通過排風(fēng)口(模擬超壓泄放閥)排出，排風(fēng)口的允許排出壓力是500 Pa，以此保證區(qū)域內(nèi)始終有500 Pa的正壓。

該集體防護(hù)區(qū)設(shè)定有一個(gè)回風(fēng)口和一個(gè)排風(fēng)口，送風(fēng)總量為4 500 m3/h，回風(fēng)量為4 000 m3/h，排風(fēng)量為500 m3/h。布風(fēng)器風(fēng)口直徑為80 mm，排風(fēng)口直徑為200 mm；回風(fēng)口尺寸為1 000 mm×1 000 mm。區(qū)域邊界上的門均設(shè)為關(guān)閉，內(nèi)部的門均設(shè)為開啟，各艙室房門尺寸為1 700 mm×600 mm；外壁和天花板均設(shè)為絕熱，內(nèi)壁傳熱系數(shù)K為0.92 W/(m2·k)，厚度為0.003 m。布風(fēng)器上端為靜壓箱，靜壓箱下方為風(fēng)管，出風(fēng)口處設(shè)置兩側(cè)擋板，上層擋板為方形，下層擋板為圓形，房間內(nèi)布風(fēng)器結(jié)構(gòu)和尺寸見圖2。

2 計(jì)算模型假設(shè)及邊界條件

艙室空間的空氣流動(dòng)是自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流共同作用形成的混合湍流流動(dòng)，屬于湍流流動(dòng)。由于實(shí)際艙室內(nèi)的設(shè)備布置、空氣流動(dòng)和傳熱非常復(fù)雜，因此需要對(duì)艙室內(nèi)的空氣流動(dòng)做相關(guān)合理假設(shè)以便進(jìn)行求解[2-6]。

1)在模擬的過程中需要對(duì)設(shè)備家具及人員等的形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化，如簡(jiǎn)化為六面體等，與空氣接觸面均勻發(fā)熱。

2)艙室為密閉空間，也就是說在送風(fēng)口處流入計(jì)算區(qū)域，在出風(fēng)口處流出計(jì)算區(qū)域，這就確?？諝獠粫?huì)從別處流進(jìn)或流出計(jì)算區(qū)域。

3)需要考慮送風(fēng)與室內(nèi)的溫差。單個(gè)布風(fēng)器送風(fēng)量250 m3/h，考慮夏季工況進(jìn)行模擬計(jì)算，參數(shù)見表1。

4)側(cè)壁傳熱系數(shù)1.57 W/(m2·k)，外壁面夏季49 ℃；頂板傳熱系數(shù)為1.39 W/(m2·k)，外壁面溫度夏季為61 ℃。

表1 模擬計(jì)算參數(shù)

5)熱負(fù)荷包括人員和燈光，單個(gè)人員全熱負(fù)荷取為130 W，照明負(fù)荷取11 W/m2，不考慮設(shè)備負(fù)荷。為簡(jiǎn)化模型，將人員負(fù)荷和燈光負(fù)荷直接添加到空調(diào)艙室地板。

3 湍流模型及網(wǎng)格劃分

對(duì)于艙室的流動(dòng)，屬于湍流狀態(tài)，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。AirPAK采用六面體非結(jié)構(gòu)化(Hexa unstructured)網(wǎng)格劃分方法。首先建立基本模型，并進(jìn)行網(wǎng)格粗劃分。然后進(jìn)行局部加密[7-11]。主要加密處有3處：

1)加密布風(fēng)器兩擋板間薄層區(qū)域。主要是針對(duì)垂直方向上，保證2擋板間有至少5層以上的網(wǎng)格。

2)靜壓箱附近區(qū)域加密。此加密較為簡(jiǎn)單，只需將箱體3個(gè)方向上的網(wǎng)格數(shù)同時(shí)加密即可。

3)進(jìn)風(fēng)口加密。對(duì)圓形進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行加密。為使空氣出流平均，需要保證直徑范圍內(nèi)網(wǎng)格層數(shù)在10層以上。

網(wǎng)格總量約為400萬，布風(fēng)器附近區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖3所示。

4 模擬結(jié)果

對(duì)模擬結(jié)果提取3個(gè)典型高度截面的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，模擬結(jié)果見圖4。

模擬結(jié)果表明，除密閉艙室外，其余房間正壓基本在510～520 Pa之間，回風(fēng)口所在艙室正壓略低于其他房間；除回風(fēng)口附近速度較大，其余房間風(fēng)速基本滿足我國(guó)舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)夏季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.3 m/s的要求；各房間溫度互有差異，這是由于各空調(diào)房間內(nèi)人員熱負(fù)荷不同造成的，但各房間基本滿足我國(guó)舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍22～28 ℃。

5 結(jié)論

采用流體計(jì)算仿真軟件Airpak，對(duì)典型集體防護(hù)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，通過設(shè)置合理設(shè)計(jì)參數(shù)、建模并劃分網(wǎng)格，得到了集體防護(hù)區(qū)域壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，模擬結(jié)果表明，集體防護(hù)區(qū)域內(nèi)超壓值分布合理，艙室溫度、風(fēng)速符合人員生活、工作的舒適性要求。流體計(jì)算仿真計(jì)算作為一種新型的設(shè)計(jì)輔助手段，可為集體防護(hù)區(qū)域氣流組織提供重要的參考和優(yōu)化建議。

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Numerical Simulation of Cabin Environment in Warships Typical Collective Protection District

DU Hong-xia, WANG Jun-xin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

To optimize cabin environment of collective protection district, numerical simulation was carried out for the typical collective protection zone using fluid calculation software Airpak. The pressure field, velocity field, temperature field of the collective protection area was obtained by setting reasonable design parameters and modeling. The simulation results show that the distribution of overpressure in the collective protection area is reasonable, the compartment temperature and wind speed can meet the personnel life and work comfort requirements.

collective protection district; cabin environment; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.029

2017-03-07

杜紅霞(1984—)，女，博士，工程師

研究方向：船舶保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

U698

A

1671-7953(2017)03-0125-03

修回日期：2017-03-27