居住舱室空气环境舒适性数值分析

Chinese Journal of Ship Research - - NEWS -

亓海青,李志印,周立华

430064中国舰船研究设计中心,湖北 武汉

摘 要:[目的]为比较不同送风方案对居住舱室空气环境的影响,[方法]采用计算流体力学技术对四人居住舱室内的空气环境舒适性进行数值研究。分析气流组织分布的评价指标,对夏季工况下舱室模型的风速、温度、相对湿度、PMV CO2值和 浓度进行模拟计算。通过对比不同送风方案的模拟结果,研究送风角度、送风温度和送风量对舱室内气流组织热舒适性及空气品质的影响。[结果]研究结果表明:送风角度分别取30o和 45o时对模拟结果影响较小;降低送风温度并减小送风量虽然会导致舱室内空气湿度相对较小、CO2浓度较高,但均可满足设计要求,且综合考虑气流组织的评价指标,研究的方案能提高舱室气流组织热舒适性。[结论]研究结果对居住舱室送风口布置具有一定的指导意义。关键词:居住舱室;居住性;大气环境;送风方案;数值分析

中图分类号:U664.86

文献标志码:A

DOI:10. 19693/j.issn.1673-3185. 01071

0引言

居住舱室作为船员休息的主要场所,其内部空气环境直接影响着船员居住的舒适性。舱室空气环境主要指空气热舒适性和空气品质,合理的气流组织分布是提高舱室环境舒适性的根本保障[1]。目前,计算流体力学(CFD)技术已成为舱室内气CFD流组织研究的重要手段之一[2-4],而将 技术应用于舱室气流组织仿真计算也受到了研究人员的广泛关注。Liu[5]使用Airpak软件对船舶空调舱室的室内热环境进行了仿真优化。Chen等[6]分析了送风方向对舱室内空调环境的影响。郭宝坤等[7] CFD采用 技术对冬季工况船用布风器的射流流场超[8]针进行了研究。梁彦 对某船舱室内的高温区域提出了通风系统的优化措施。李培铭等[9]针对变风量空调系统的不同工况,对舱室气流组织进行了数值分析,提出了符合变风量空调舱室舒适性气流分布要求的送风方案。刘亚琴等[10]采用局CFD部射流送风技术,利用 软件对船舶机舱通风系统进行了数值优化。张卫东等[11]依据舱室内温度场和速度场的分布,通过改变风量分配和风口CFD形式等方法对舱室气流组织进行了 数值优化CFX研究。曹红波等[12]采用 软件对某典型舰船动力舱室大气环境进行仿真研究,通过与实船测试数据的对比表明,CFX软件可以实现舰船舱室大气环境的计算机辅助设计并对其流场分布进行优通[13]化。李以 建立了船舶居住舱室气流分布的4综合评价体系,对采用 种布风器送风情况下舱室内的气流分布进行综合评价,给出了船舶居住舱室布风器选型的初步建议。上述研究工作为船舶居住舱室气流分布的优化设计以及提高舱室居住性提供了理论基础和技术参考。鉴于上述研究均侧重于舱室内的空气热舒适性。本文拟针对舱室相对封闭、空间狭小、人员众多、空气污染物浓度情况,综合考虑气流组织热舒CFD适性及空气污染物浓度等因素,采用 方法研究送风角度、送风温度和送风量等参数对居住舱室空气环境舒适性的影响,以得到较满意的送风方案,为解决实际工程问题提供理论依据。

1 计算模型

本文提出了一种四人间居住舱室的三维简化1 2.115 m×1.911 m×模型,如图 所示。舱室尺寸为2.02 m(长×宽×高)。送、回风方式为上送下回,即0.024 m2,送风装置采用方形散流器,有效通风面积0.155 m×0.155 m,风口距地面模型中尺寸简化为 1.8 m,回风口尺寸为0.2 m×0.2 m。船员简化为长0.2 m×0.3 m×1.6 m,口鼻等人体方体模型,尺寸为0.02 m×0.04 m呼吸口用 的长方形代替。

2 数值计算方法 2.1 控制方程

为便于求解,本文对居住舱室内的空气流动 进行如下相关合理假设: 1)居住舱室内气体为不可压缩,且符合Boussinesq假设,认为流体密度仅对浮升力产生影响; 2)气流为低速、不可压缩流; 3)流体与热源间的换热为对流换热,不考虑辐射热; 4)流动为稳态湍流; 5)舱室除送风和回风口外,密闭性良好。根据以上假设,本文中的湍流模型采用工程流场计算中常用的标准k-ε模型,其控制方程如下[14] :

式中:k 为湍流动能;η 为分子粘性;ε 为湍流耗

散率;u 为某方向速度;ρ为密度;t 为时间;c1 , 1.44,1.92 0.09; c ,cμ 为常量,一般分别取为 和2 σk ,σε 分别为 k 方程和 ε 方程的湍流普朗特数(Prandtl number),分别取为1.0 1.3。和

图1 简化后的居住舱模型Fig.1 Simplified model of an accommodation cabin

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