貼附射流在冬季對睡眠艙流場的影響研究*

袁東方, 張國慶, 高文峰, 王飛, 李晶金

(云南師范大學(xué)，云南 昆明 650092)

1 引言

相比于一般的旅店房間，睡眠艙具有空間占比少、住宿費(fèi)用低和空間更私密等突出優(yōu)點(diǎn)，符合節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展理念.當(dāng)前睡眠艙的主流通風(fēng)設(shè)備為排氣扇，噪音較大且對流場的擾動(dòng)較大，一種介于混合通風(fēng)與置換通風(fēng)之間的新型送風(fēng)模式——條縫型送風(fēng)口形成的貼附射流[1-3]受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.貼附通風(fēng)射流的原理是利用康達(dá)效應(yīng)(Coanda effect)推動(dòng)空氣附著在壁面上流動(dòng)的一種空氣運(yùn)動(dòng)方式，由于空氣沒有直接吹向人體，因此貼附射流運(yùn)用在小微睡眠環(huán)境時(shí)可以有效地減弱人體的吹風(fēng)感[4].

在低溫的冬季，分子運(yùn)動(dòng)變得緩慢，人體代謝釋放的CO2等污染性氣體比夏季更容易堆積在人體周圍，對睡眠艙入住人員的睡眠造成一定影響，而且低溫環(huán)境下人體對吹風(fēng)感更為敏感.基于此，本文利用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件Fluent對睡眠環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)換氣模擬，探討以5 ℃的較低初始室溫下的貼附射流(水平貼附射流、豎直貼附射流和雙貼附射流)以及送風(fēng)量對室內(nèi)氣流場、溫度場和CO2濃度場的影響，以便獲得合理的送風(fēng)方式，改善艙內(nèi)睡眠環(huán)境.

2 物理模型

模擬對象幾何尺寸為2.0 m×2.0 m×2.4 m；睡眠艙通常僅供一人入住，艙中設(shè)一張尺寸為1.9 m×0.6 m的單人床，床高0.35 m；床頭桌尺寸為0.6 m×0.4 m×0.5 m.在空調(diào)緊挨頂板和左側(cè)壁處均設(shè)有一尺寸為0.9 m×0.05 m 的條縫送風(fēng)口，回風(fēng)口的尺寸為0.2 m×0.2 m(如圖1).

在睡眠艙內(nèi)選取如圖1(a)所示的A-E 5個(gè)高度為1.2 m的空間點(diǎn)作監(jiān)測點(diǎn).劃分網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，選取最佳網(wǎng)格數(shù)量190萬個(gè)，正交網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.78.由于CO2釋放流動(dòng)為湍流，且考慮到貼附射流模式，湍流模型選為Realizable k-ε，開啟組分運(yùn)輸模型對其擴(kuò)散和濃度分布進(jìn)行計(jì)算；啟用Boussinesq假設(shè)考慮浮力效應(yīng)，近壁面流動(dòng)狀態(tài)的描述采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；小微空間內(nèi)部人員頭部溫度恒為36.5 ℃，默認(rèn)在低溫狀態(tài)下人體其他部位覆蓋被褥，不考慮傳熱；墻面的輻射模型選擇表面到表面；人體CO2釋放量約0.248 6 L/min[5]；床、床頭桌、空調(diào)外壁和墻壁壁面等均為無滑移固體壁面.冬季送熱工況下，在假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能良好且室內(nèi)外最大溫差不超過17 ℃的情況下，忽略熱量損失.

(a)睡眠艙平面圖 (b)睡眠艙立體圖

由于送風(fēng)模式、送風(fēng)量、送風(fēng)溫度以及室內(nèi)初始溫度都對熱環(huán)境到達(dá)穩(wěn)態(tài)有較大的影響，故選取相同的初始室溫以及恒定的送風(fēng)溫度，改變射流模式和通風(fēng)量，模擬睡眠艙環(huán)境變化，通風(fēng)工況如表1.

表1 通風(fēng)工況

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 艙內(nèi)流場分析

3.1.1 不同貼附射流下的流線分析

選取X-Z截面(Y=1 m處)分析工況1-3下睡眠艙中形成的流線，如圖2所示.

水平貼附射流中，氣流先沿著頂壁流動(dòng)，后向下沿著側(cè)壁被送到人員睡眠區(qū)，射流厚度逐漸增加.冬季室內(nèi)溫度較低，吹出的熱風(fēng)溫度較高，浮升力對射流的向下流動(dòng)起阻礙作用[6]，但是由于到達(dá)睡眠區(qū)域的送風(fēng)路徑較短，射流到達(dá)睡眠區(qū)域時(shí)仍然具有較高的動(dòng)量,造成右側(cè)壁流速高，而左側(cè)壁流速低，使得送入的新風(fēng)與艙內(nèi)空氣能夠較快混合，而且在人體周圍形成卷吸作用，有利于降低呼吸區(qū)CO2濃度.

在豎直貼附射流中，氣流從空調(diào)下方直接射出，初始動(dòng)能有利于減弱熱升浮力的影響.沿著地面發(fā)展的射流到達(dá)右側(cè)壁后沿著側(cè)壁上升，克服重力做功的同時(shí)伴隨著動(dòng)能的衰減.盡管在射流到達(dá)睡眠區(qū)時(shí)動(dòng)能減小，但由于小微空間體積較小，卷吸作用被放大，有利于睡眠區(qū)域污染氣體的擴(kuò)散和排出.

雙貼附射流是上述兩種射流模式的組合，兩個(gè)送風(fēng)口同時(shí)送風(fēng)，但為了保證相同的送風(fēng)量，降低了初始的送風(fēng)速度.兩股氣流在睡眠區(qū)域的右上方發(fā)生碰撞，并在小微空間的右上方角落處形成一個(gè)區(qū)域旋渦，不利于室內(nèi)污染物的排出.

圖2 三種貼附射流下的空間流線圖

3.1.2 送風(fēng)速度對氣流場特征的影響

為了得到送風(fēng)速度對不同貼附射流流場特征的影響，分別選取X-Z截面(Y=1 m處)和Y-Z截面(X=1.5 m處)分析不同送風(fēng)量(45 L/s和60 L/s)下艙內(nèi)氣流場變化，如圖3所示.

圖3 三種貼附射流下不同截面的速度云圖

研究表明，導(dǎo)致人感覺不舒適的最低風(fēng)速約為0.25 m/s[7].水平貼附射流下，在送風(fēng)量為45 L/s時(shí)，人體附近的氣流速度在0.2 m/s左右，但在送風(fēng)量為60 L/s時(shí)，超過了0.25 m/s， 這會(huì)干擾人的正常睡眠，表明此種送風(fēng)模式下需降低送風(fēng)量.豎直貼附射流下，由于送風(fēng)路徑較水平射流長，因此不同送風(fēng)量下人頭部附近的風(fēng)速均較小;由于CO2的密度較大，因此下方CO2濃度會(huì)更高，豎直貼附射流正好使得底部區(qū)域風(fēng)速更高，能夠更好地帶走CO2，降低污染物濃度.雙貼附射流下，上述送風(fēng)量的流場風(fēng)速更低.

3.2 艙內(nèi)溫度場分析

設(shè)定初始溫度為5 ℃，送風(fēng)溫度為22 ℃，開始送風(fēng)后溫度逐漸上升.送風(fēng)量為45 L/s時(shí)，選定三個(gè)時(shí)刻(60、420 s和780 s)Y-Z截面(X=1.5 m處)的溫度云圖考察艙內(nèi)溫度的變化(如圖4)，垂直方向有明顯的溫度分層.水平貼附射流中，熱空氣堆積在上層，下方區(qū)域溫度上升較慢.豎直貼附射流可以更快地將暖風(fēng)送達(dá)地面，有利于熱量的傳遞，室內(nèi)溫度可以在更短的時(shí)間里達(dá)到穩(wěn)態(tài).雙貼附射流中，送風(fēng)速度低，室內(nèi)溫度上升最慢.

圖4 三種貼附射流下不同時(shí)刻的溫度云圖(45 L/s)

增加送風(fēng)量至60 L/s時(shí)，三個(gè)同樣時(shí)刻的溫度云圖如圖5所示.除了明顯的溫度分層現(xiàn)象外，增加送風(fēng)量還減少了室溫達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間.總之，相同送風(fēng)量時(shí)，豎直貼附射流下室溫到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間最短，送風(fēng)量為45 L/s時(shí)，時(shí)間不超過780 s；送風(fēng)量為60 L/s時(shí)，時(shí)間不超過540 s.

圖5 三種貼附射流下不同時(shí)刻的溫度云圖(60 L/s)

3.3 暴露區(qū)域吹風(fēng)感分析

風(fēng)速的大小和空氣溫度在不同程度上影響著人員的舒適度，可以用吹風(fēng)感比率(Draft Rate,DR)指標(biāo)來進(jìn)行量化分析.ISO7730定義的計(jì)算公式如下：

DR(%)=(34-T)×(U-0.05)0.62×

(0.37Utu+3.14);

式中，T，某點(diǎn)空氣的溫度，℃；U，某點(diǎn)的空氣流速，m/s；tu，某點(diǎn)空氣的湍流強(qiáng)度，取35%.在頭部(暴露部位)附近取15個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(如圖6(a)所示)用于計(jì)算頭部吹風(fēng)感.

圖6(b)和(c)為三種不同送風(fēng)模式下人頭部區(qū)域的DR值.當(dāng)送風(fēng)量為45 L/s時(shí)，在不同的貼附射流下，水平貼附射流、豎直貼附射流和雙貼附射流人員睡眠區(qū)域的DR 分別在2.1%～10.0%、2.4%～9.5% 和1.0%～6.1%的范圍內(nèi)；當(dāng)送風(fēng)量為60 L/s時(shí)，水平貼附、豎直貼附和雙貼附射流下人員睡眠區(qū)域的DR 分別在1.5%～15%、2.1%～12.4% 和0.8%～4.9%的范圍內(nèi).三種射流下睡眠區(qū)域的DR值都能滿足ISO7730中推薦的不大于20%的要求.

(a)頭部區(qū)域吹風(fēng)感監(jiān)測點(diǎn) (b)監(jiān)測點(diǎn)DR值(45 L/s) (c)監(jiān)測點(diǎn)DR值(60 L/s)

3.4 艙內(nèi)二氧化碳濃度分析

相關(guān)研究表明[8]，長時(shí)間處于CO2濃度大于10-3(體積分?jǐn)?shù)，即1 000 ppm)的室內(nèi)，人體的機(jī)能將受到不利影響.圖7為Y-Z截面(X=1.5m處)CO2云圖，由圖7可知，水平貼附射流和豎直貼附射流在較小的送風(fēng)量下就可以有效降低呼吸區(qū)域的CO2濃度；加大送風(fēng)量雖然可以進(jìn)一步降低CO2濃度，效果卻并不明顯.雙貼附射流情況下呼吸區(qū)域代謝污染物濃度較高，加大送風(fēng)量可以有效降低呼吸區(qū)的CO2濃度.

圖7 CO2云圖

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)6種通風(fēng)工況，采用CFD模擬探究冬季睡眠艙內(nèi)氣流場、溫度場及CO2濃度場變化，具體結(jié)果如下：

(1) 貼附射流應(yīng)用于小微睡眠空間可以有效地克服傳統(tǒng)機(jī)械送風(fēng)對人體周圍流場擾動(dòng)大的特點(diǎn)，三種射流下睡眠區(qū)域的DR值都控制在20%以內(nèi)，有效地降低了人體的吹風(fēng)感.

(2)室內(nèi)溫度上升至穩(wěn)態(tài)的過程中，溫度分層現(xiàn)象明顯.由于熱升浮力的作用，水平射流下室溫的上升速度比豎直射流慢，豎直射流下室溫到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間最短，而雙貼附射流下室溫上升最慢.

(3)由于雙貼附射流的出風(fēng)口面積較大，在同樣的送風(fēng)量下，送風(fēng)速度較低導(dǎo)致其卷吸效果差，并且由于射流碰撞產(chǎn)生了渦旋，空間CO2濃度超標(biāo)范圍大.送風(fēng)量在45 L/s時(shí)，豎直射流通風(fēng)能力最強(qiáng)，水平射流次之，雙貼附射流最差；增加送風(fēng)量至60 L/s時(shí)，豎直射流通風(fēng)能力仍保持最優(yōu)，雙貼附射流次之，水平射流最差.