某極地船會議室的氣流組織方案分析

劉春江，許戀斯，胡 浩，華呈新

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

隨著極地航區(qū)得到逐步開發(fā)和極地區(qū)域的油氣、生物等資源得到廣泛關(guān)注[1]，各國對極地航區(qū)船舶的需求量逐步增加。極地航區(qū)船舶在滿足貨物運(yùn)輸需求的同時(shí)，必須滿足船上工作人員對熱舒適度的要求[2]。

極地航區(qū)船舶的居住艙室、公共區(qū)域艙室等空調(diào)環(huán)境艙室內(nèi)的氣流分布情況與其他航區(qū)船舶不盡相同。本文借助仿真分析技術(shù)，在設(shè)計(jì)極地航區(qū)船舶的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)前期，對艙室內(nèi)部的氣流組織進(jìn)行仿真分析，得出極地多用途集裝箱船艙室內(nèi)的溫度場、空氣齡和速度場的分布情況；采用定性分析的方法對比分析不同的通風(fēng)布置方案，優(yōu)化艙室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，提高船上工作人員的熱舒適度，并指導(dǎo)最終的通風(fēng)設(shè)計(jì)[3]。以冬季工況為主進(jìn)行溫度場、空氣齡和速度場分布研究，分析得出更有利于提高人體舒適度的通風(fēng)末端布置方案；同時(shí)，在夏季工況下校核該方案的氣流組織分布情況，為未來建造極地航區(qū)船舶提供參考。

1 會議室通風(fēng)布置設(shè)計(jì)方案分析

1.1 會議室通風(fēng)布置設(shè)計(jì)方案

船舶艙室內(nèi)的空氣環(huán)境主要通過全船的中央空調(diào)設(shè)備來控制，極地航區(qū)船舶的中央空調(diào)設(shè)備與常規(guī)航區(qū)船舶的中央空調(diào)設(shè)備的最大不同點(diǎn)為：在考慮全航區(qū)航行的情況下，二者冬季外部環(huán)境溫度至少有10℃的差值。根據(jù)極地多用途集裝箱船建造說明書上的要求，其冬季外部環(huán)境溫度設(shè)置為-30℃，而常規(guī)貨船的冬季外部環(huán)境溫度一般設(shè)置為-15℃，15K的溫差使得該船型的冬季工況具有一定的特殊性。同時(shí)，會議室作為公共艙室，會因人員聚集而產(chǎn)生大量的CO2并出現(xiàn)人員呼吸熱的情況，這對會議室的氣流組織布置提出較高的要求，既要保證室內(nèi)空氣的新鮮度符合要求，又要考慮人員的熱舒適度需求。因此，需對冬季工況下極地多用途集裝箱船會議室內(nèi)的氣流組織布置進(jìn)行分析研究。

會議室通風(fēng)布置設(shè)計(jì)方案綜合考慮會議室的受熱面、人員在艙室內(nèi)集中的區(qū)域、外部通風(fēng)管路的排布及實(shí)際建造的難易程度，主要分為2種通風(fēng)末端布置設(shè)計(jì)方案，旨在通過改變布風(fēng)器的位置來改善艙室內(nèi)氣流組織的各項(xiàng)指標(biāo)（見圖1和圖2）。通風(fēng)布置設(shè)計(jì)方案主要采用上送上回的通風(fēng)方式，將日曬艙壁作為會議室的正面艙壁。方案A是將3臺送風(fēng)布風(fēng)器向正面艙壁呈品字型布置；方案B是將3臺送風(fēng)布風(fēng)器向正面艙壁呈倒品字型布置。

圖2 方案B氣流組織布置圖

1.2 通風(fēng)布置設(shè)計(jì)方案仿真分析

利用FloEFD流體仿真計(jì)算軟件對冬季工況下2種通風(fēng)布置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)得到的結(jié)果對2種方案進(jìn)行對比分析，選出室內(nèi)各項(xiàng)氣流組織指標(biāo)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，并驗(yàn)證該方案在夏季工況下同樣滿足舒適性要求，最終得到適合極地多用途集裝箱船的會議室通風(fēng)布置設(shè)計(jì)方案。

1.2.1 數(shù)學(xué)模型

實(shí)際上影響艙室內(nèi)氣流溫度和速度分布的因素有很多，為了使數(shù)值分析結(jié)果對實(shí)際設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用，在設(shè)置模型時(shí)對一些能影響整個(gè)艙室的溫度和速度流場的因素進(jìn)行細(xì)化處理，包括：細(xì)化通過艙室外部向內(nèi)傳遞的傳熱量[4]；細(xì)化公共艙室內(nèi)的家具模型；考慮會議室內(nèi)的人員活動，并在模型中予以體現(xiàn)。

艙室內(nèi)部的熱量交換以對流換熱形式為主，考慮內(nèi)部流體流動的連續(xù)性，其數(shù)值分析所需的對流換熱能量方程[5]為

連續(xù)性方程[5]為動量方程[5]為

式(1)～式(5)中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/ (m2·K )；qV為體積內(nèi)熱源；qR為輻射熱源；ρ為密度；Cp為比熱；t為溫度；Fx、Fy和Fz分別為3個(gè)方向上的截向力；μ為黏度；τ為時(shí)間常數(shù)。

為簡化數(shù)值求解過程，不考慮上述方程式中的時(shí)間常數(shù)，即將該公共艙室的求解問題簡化為三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。

1.2.2 物理模型及邊界條件

會議室的尺寸為 5.5m×4.8m×2.1m，內(nèi)部含有 1個(gè)電視柜、1臺電視機(jī)、1張會議桌和 16張尺寸為0.65m×0.65m×1.21m的椅子，采用3臺頂部布風(fēng)器送風(fēng)、1個(gè)頂部回風(fēng)格柵和 1個(gè)側(cè)壁艙門上回風(fēng)格柵回風(fēng)。艙壁分為日曬艙壁和與房間相連的普通艙壁，其中日曬艙壁上擁有4扇窗戶。

整個(gè)會議室的總網(wǎng)格數(shù)為181436個(gè)，為更好地對會議室內(nèi)人員周圍的熱量傳遞區(qū)域面進(jìn)行求解，對局部網(wǎng)格作細(xì)化處理（見圖3）。

圖3 模型剖面網(wǎng)格

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)（外部環(huán)境參數(shù)）為：夏季+35℃，相對濕度70%；冬季-30℃。艙室內(nèi)溫度和濕度要求為：夏季+27℃，相對濕度50%；冬季+20℃，相對濕度50%。根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)的基本原理和會議室的數(shù)學(xué)模型假設(shè)，需設(shè)置若干個(gè)邊界條件，主要分為入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件和室內(nèi)熱源。

1) 冬季邊界條件如下。

(1) 入口邊界條件：天花板上3臺布風(fēng)器的總送風(fēng)量和送風(fēng)溫度分別為840m3/h和32℃。

(2) 出口邊界條件：天花板上回風(fēng)口的總回風(fēng)量為825m3/h；門上回風(fēng)格柵的回風(fēng)溫度為20℃；出口壓力設(shè)置為環(huán)境壓力。

(3) 壁面邊界條件：會議室艙壁分別設(shè)置為日曬艙壁（1473W）、日曬艙壁上的窗戶（480W）及其他艙壁（191W）這幾部分傳熱量。

(4) 室內(nèi)熱源：根據(jù)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊的要求[6]，人員負(fù)荷熱為55W/人，會議室內(nèi)14位工作人員的總散熱量為770W，電視機(jī)設(shè)備的散熱量為200W，且在有日照的情況下不考慮艙室內(nèi)照明設(shè)備的負(fù)荷熱[6]。

2) 夏季邊界條件如下。

(1) 入口邊界條件：會議室的吊頂天花板上布置有 3臺布風(fēng)器，總送風(fēng)量和送風(fēng)溫度分別為 840m3/h和17℃。

(2) 出口邊界條件：會議室的天花板上的回風(fēng)口的總回風(fēng)量為 825m3/h；門上回風(fēng)格柵的回風(fēng)溫度為27℃；出口壓力設(shè)置為環(huán)境壓力。

(3) 壁面邊界條件：會議室艙壁分別設(shè)置為日曬艙壁（595W）、日曬艙壁上的窗戶（376W）及其他艙壁（230W）這幾部分傳熱量。

(4) 室內(nèi)熱源：夏季室內(nèi)熱源與冬季室內(nèi)熱源一致。

2 方案仿真結(jié)果分析

經(jīng)過仿真分析，得出方案A和方案B的仿真結(jié)果。為體現(xiàn)會議室內(nèi)人員熱舒適度的情況，選取3個(gè)具有代表性的截面上的溫度、空氣齡和速度分布情況進(jìn)行相應(yīng)的定性分析，以體現(xiàn)方案的合理性。第1個(gè)截面為Z1=1200mm，即選取人員坐在艙室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)座椅上的舒適性，這是由于人處于坐姿時(shí)的普遍高度約為1200mm[7]。第2個(gè)截面為Z2=800mm，第3個(gè)截面為Z3=500mm，這是考慮到在艙室內(nèi)人員的腿部也會處于受風(fēng)狀態(tài)，因此選擇這2個(gè)高度的截面作為體現(xiàn)人員熱舒適度的表征之一。

2.1 冬季工況下的方案對比結(jié)果

2.1.1 室內(nèi)溫度分布

圖4給出冬季會議室內(nèi)不同高度下方案A和方案B的溫度場分布情況。由圖4可知：在方案A中，室內(nèi)高溫區(qū)域較多，尤其是在天花板頂部的布風(fēng)器附近，室內(nèi)整體溫度范圍為20～29℃，溫差在9K左右，人員腿部及頭部的感受溫差過大，腿部吹風(fēng)易引起人員的不舒適感；在方案B中，雖然室內(nèi)整體溫度范圍為19～26℃，但溫差在7K左右，溫差跨度較小，溫度分布比方案A更均勻，人體感受也更舒適；同時(shí)，在相同高度下，方案B中各截面的溫度分布也比方案A更均勻，沒有方案A中明顯高于截面大部分區(qū)域的溫度峰值出現(xiàn)；此外，方案B的布置能有效降低日曬艙壁附近流體的溫度，靠近日曬艙壁的人員周圍的流體溫度有一定程度的下降。因此，將2臺布風(fēng)器調(diào)整到靠近日曬艙壁側(cè)的方案B確實(shí)能改善會議室內(nèi)的溫度分布。

圖4 冬季會議室內(nèi)不同高度下方案A和方案B的溫度的分布情況

2.1.2 冬季室內(nèi)空氣齡分布

空氣齡可用來綜合衡量室內(nèi)的通風(fēng)換氣效果，是評價(jià)室內(nèi)氣流環(huán)境合理性的重要指標(biāo)。圖5給出冬季室內(nèi)不同高度下方案A和方案B的空氣齡分布情況。由圖5可知：方案B中高速送風(fēng)區(qū)域靠近窗戶處的艙壁區(qū)域的空氣齡優(yōu)于艙室內(nèi)的其他區(qū)域，同時(shí)方案B中室內(nèi)整體的低空氣齡區(qū)域面積也大于方案A。越是遠(yuǎn)離送風(fēng)口的區(qū)域，其空氣齡數(shù)值越大，說明遠(yuǎn)離送風(fēng)口區(qū)域的空氣品質(zhì)不良，且越靠近上部送風(fēng)口，周圍的空氣齡數(shù)值范圍越廣。這是由于冬季所送空氣為暖空氣，密度較小，易積聚在艙室頂部。在方案A中，艙室一側(cè)座位中間位置處出現(xiàn)高空氣齡區(qū)域，這會對該側(cè)人員呼吸的空氣產(chǎn)生影響；在方案B中，艙室后部位置處出現(xiàn)高空氣齡區(qū)域，該區(qū)域不僅面積小，而且無人員，對人員的影響較小，這是由于方案B將2臺布風(fēng)器移動到窗邊，大部分送風(fēng)口與回風(fēng)口的距離變大，新鮮空氣在艙室內(nèi)停留的時(shí)間延長，室內(nèi)空氣的新鮮度得到提高。因此，能為會議室提供較小空氣齡的方案B更具有優(yōu)勢。

圖5 冬季室內(nèi)不同高度下方案A和方案B的空氣齡分布情況

2.1.3 冬季室內(nèi)速度分布

圖6為冬季室內(nèi)不同高度下方案A和方案B的速度分布情況。從圖6中可看出：送風(fēng)口附近風(fēng)速較大，且靠近窗戶一側(cè)艙壁的風(fēng)速普遍大于艙室內(nèi)其他位置處的風(fēng)速，這是考慮到窗戶的熱量傳遞性較強(qiáng)，選擇方案B的布置方式，較大的風(fēng)速能起到風(fēng)幕的作用，在冬季工況下有效防止艙室內(nèi)的熱量向外傳遞；同時(shí)，人員座位附近區(qū)域均設(shè)置為低風(fēng)速環(huán)境，降低人體的吹風(fēng)感，提高人員的舒適性。這主要是因?yàn)榉桨窧中只有1臺送風(fēng)布風(fēng)器距離天花板回風(fēng)口較近，沒有出現(xiàn)“氣流短接”效應(yīng)，使得氣流能在室內(nèi)充分、均勻地流動。方案A雖然在正面艙壁處也有風(fēng)幕區(qū)域，但在后部人員座位兩側(cè)均出現(xiàn)高一個(gè)數(shù)量級的風(fēng)速區(qū)域，人員會有明顯的吹風(fēng)感，舒適性不如方案B。

圖6 冬季室內(nèi)不同高度下方案A和方案B的速度分布情況

對于冬季會議室的2種通風(fēng)布置方案，從溫度分布、空氣齡和速度分布等3個(gè)指標(biāo)入手，分析得到方案B的氣流組織分布情況較優(yōu)，且在溫度均勻性、空氣新鮮程度和人體吹風(fēng)感等3個(gè)方面均優(yōu)于方案A。因此，在極地環(huán)境下（即空調(diào)設(shè)備的冬季工況），會議室的通風(fēng)布置設(shè)計(jì)選擇方案B。

極地多用途集裝箱船的空調(diào)裝置是考慮全航區(qū)的情況設(shè)計(jì)的，因此方案B在夏季工況下是否同樣滿足舒適性要求也需通過流體仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，并得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

2.2 夏季工況下的方案對比

2.2.1 夏季室內(nèi)溫度分布

圖7為不同高度下方案B的夏季室內(nèi)溫度分布對比。由圖7可知，方案B在人員活動區(qū)域的溫度分布均勻，尤其是在日曬艙壁和窗口負(fù)荷較大的情況下，方案B依然能滿足靠近日曬艙壁的人員對周圍流體溫度的要求。

圖7 不同高度下方案B的夏季室內(nèi)溫度分布對比

2.2.2 夏季室內(nèi)空氣齡分布

會議室作為公共艙室，人員會在短時(shí)間內(nèi)大量聚集于此，因此對艙室內(nèi)空氣的新鮮程度要求更高。圖8為不同高度下方案B的夏季室內(nèi)空氣齡分布對比。由圖8可知，方案B室內(nèi)的空氣齡分布均勻，靠艙門和窗側(cè)人員周圍的空氣齡大部分處于220s左右。

圖8 不同高度下方案B的夏季室內(nèi)空氣齡分布

2.2.3 夏季室內(nèi)速度分布

圖9為不同高度下方案B的夏季室內(nèi)速度分布對比。由圖9可知：方案B中人員活動區(qū)域的速度分布均勻，站立位、座位及腿部的氣流速度基本上處于 0.05m/s左右的低速狀態(tài)，人體不會有明顯的吹風(fēng)感，對于在艙室內(nèi)辦公的人員來說舒適性相對較高；夏季工況下方案B中高風(fēng)速區(qū)域集中在靠近易傳遞熱量的窗戶側(cè)艙壁區(qū)域，與冬季工況類似，在貼近艙壁處的一層高速區(qū)域起到“風(fēng)幕”的作用，能有效阻隔外界傳入的熱量。

圖9 不同高度下方案B的夏季室內(nèi)速度分布對比

3 結(jié) 語

通過對不同季節(jié)工況下極地多用途集裝箱船會議室內(nèi)氣流組織的分布情況進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：

1) 通過對冬季工況下不同通風(fēng)末端布置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析，從極地多用途集裝箱船會議室內(nèi)的溫度、速度和空氣齡等3項(xiàng)氣流指標(biāo)入手，得出方案B均優(yōu)于方案A的結(jié)論，顯示出方案B中人員熱舒適度更好，方案B能給會議室內(nèi)的人員帶來良好的空氣品質(zhì)和舒適的環(huán)境。

2) 在夏季工況下，方案 B使艙室內(nèi)的溫度較為適宜，且人體無明顯的吹風(fēng)感，能滿足船舶空調(diào)設(shè)計(jì)要求，為船員提供溫暖舒適的環(huán)境，且艙室內(nèi)人員呼吸區(qū)域的空氣齡數(shù)值滿足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求，能有效保證艙室內(nèi)的人員對新鮮空氣的要求。

從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，在極地多用途集裝箱船設(shè)計(jì)建造前期利用仿真計(jì)算手段，通過對不同通風(fēng)布置方案進(jìn)行仿真分析，選擇具有更高空氣品質(zhì)的方案，從而提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平，并減少在后期實(shí)際建造過程中產(chǎn)生的更改成本和施工工程量，為我國未來新建極地多用途集裝箱船的會議室設(shè)計(jì)提供參考。