摘要：以船舶起居处所典型居住单元为研究对象，对船上最常见的上送下回的空调送风方式进行CFD 模拟，并结合实船测试数据进行验证。同时，通过对 3 种空调送风方式的 CFD 模拟，比较和分析夏季和冬季不同工况下房间的气流分布和温度场，模拟的船舶空调舱室热舒适性，并根据研究结果对船舶起居处所空调送风方式提出优化建议。
关键词：船舶起居处所；空调送风方式；数值模拟
1前言
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是在经典流体力学、现代计算数学以及计算机科学与技术的基础上，建立并发展起来的一门综合性学科。它通过离散求解流体力学的控制方程（如 Navier-Stokes 方程），近似模拟各种流态，达到揭示流动规律和流动机理的目的。因此，流场的 CFD 计算常被称为流场数值模拟。
在目前的船舶设计中，随着船东/船员对船舶起居处所舒适度要求越来越高，一般现在新造船在生活区都至少需要满足C3V3（源至DNV。GL 船级社规范入籍符号Comfort class 舒适度等级）要求，邮轮项目甚至需要满足C1 V1，因此，在船舶设计及船舶建造中也提出了很高的要求。
2模型的建立
2.1研究方法
针对船舶居住处所典型居住单元空调系统，主要采用CFD模拟与实例验证相结合的方法，对最常用的上送下回方式进行验证，同时对上送上回、上送下回（房间回风）和下送上回（置换式通风）3种空调送风方式进行比较分析。
2.2研究对象
本文的研究对象是船舶居住处所的典型居住单元，在夏季空调工况下，对3种空调送风的方式进行模拟，并结合实船测试数据对上送下回的送风方式进行验证，同时对这3种方式的空调效果做出分析评价。
居住单元实际尺寸4720mm×3400mm×2100mm（长×宽×净高）；卫生单元实际尺寸1770mm×1630mm×2100mm（长×宽×净高）；窗计算尺寸600mm×800mm（宽×高）。居住单元还模拟了一些静态物品，包括椅子、工作台、沙发、电脑、床、照明灯、柜子和坐姿人体1个。本文用于CFD模拟的居住单元尺寸和布置均参照MT公司设计，招商重工建造的6027型饱和潜水支持船居住单元的实际尺寸和布置。
2.3模型的建立
按照表1所示的3种风口布置形式，对模型进行适当简化，然后进行计算机建模。以典型居住单元为计算区域。
表 1 各种空调送风模式下的风口布置
本文CFD分析采用的是Airpak软件，其常用的求解湍流模型包括混合长度零方程模型、室内零方程模型（Indoor Zero-EquationModel）、标准k-ε模型和RNGk-ε模型4种。由于船上居住单元属于室内空气流动的范畴，居住单元内区域的气流场变化较为平缓，因此文中采用室内零方程模型。为了验证该模型的可靠性，研究过程中利用实船测试数据对模型1进行实例验证，以确定室内零方程模型的适用性。
2.4边界条件设置
2.4.1物理边界条件
①模型左侧边界设为走道，温度为27℃。右侧为日晒围壁，空气温度设为35℃，壁面当量温度为50℃。前后两侧、上部和下部边界设为空调房间，按绝热面计算。窗户透热率为350W/m2。②夏季工况下，空调出风口温度为17℃，相对湿度50%RH。空调出风口风速：顶送风模型采用四面出风，风速设为2.04m/s；下送风模型风速设为0.5m/s，沿X轴向送风。③空调回风在舱室环境压力、温度条件下自然回风。④卫生间设有圆形抽风头，风口直径100mm，风速3m/s。⑤模型1门上带格栅，模型2、模型3为房间回风模式，房门不带格栅。⑥房间照明为2只荧光灯，发热量为每只48W；人体模型的散热量设为105W；电脑1台，散热量108W。
2.4.2数学边界条件
①采用室内零方程模型进行模拟。②计算网格采用六面体粗网格。③迭代次数500次。④稳态计算。
3 CFD模拟与实例验证
船上居住单元空间较小，内部障碍物较多，送风和回风情况比较复杂，还需考虑灯光、计算机和人员的散热，因此本文采用实船测试数据来真实地反应居住单元内的实际情况，具有很大的可信度，通过计算机模拟分析并与实测数据进行比较修正，可以验证室内零方程模型的合理性，为进一步研究模型2和模型3提供可靠的依据。
3.1实船数据的测定和采集
实船测试数据采集自MT6027 饱和潜水支持船单人居住单元夏季工况下的室内温度和风速数据。①测试时间：夏季。②室外气温：30℃左右。③本次测试采用仪器：风速测定采用德国TESTO-435转轮式风速仪，液晶读数，读数精度为0.01m/s，风速仪带探头和小风扇；温度测定采用温湿度仪，读数精度为0.1℃。④本次共测试20个数据点，测点垂直高度距地板高度1500mm处，分别测试各点的温度、湿度和风速。
3.2实测数据与模拟数据的比较分析
根据实船的风口布置情况，将实测数据与模型1的模拟结果进行比较。由于外界温度为30℃，因此对2.4节所述的边界条件略作修改，将外界空气温度改为30℃，外壁当量温度设为45℃，其余边界条件保持不变。结果如图4～图6所示。
由于受外界传热影响，靠近壁面处的温度较高，向舱内逐步递减。因后部测点还受窗的影响，其温度相比前部测点高，采用CFD模拟的结果与实测结果存在一定误差，但温度变化趋势大致相同，温度波动范围为23℃～24℃，采用室内零方程模型的模拟结果基本上与实测结果相吻合。
在距离地板高度1500mm处的人体上躯干的主要活动区域，风速降至0.2m/s以下，体表无吹风感，符合舒适空调的要求，风速受舱内一些障碍物的影响会出现一些波动，CFD模拟的情况与实测数值较吻合，因风速受外界环境影响不大，故其误差相对较小。
相对湿度的测试数据波动不大，但有一定的规律性，随着温度的升高，相对湿度有所下降，靠近外壁和窗户处为较热区域，其相对湿度数值较小。CFD模拟的变化趋势与实测相吻合，但存在一定误差。
实测数据验证案例表明，室内零方程模型能很好地描述和求解居住舱通风区域的温度场和速度场。
结束语
对3种模型的送风方式进行计算机模拟分析，结果显示模拟结果与实际情况较符合。在常规船舶设计中，结合船舶空间紧张，一般采取舱室门开隔栅，利用过道回风，过道端部加平衡风管，所以上送下回送风方式应用在船舶空调设计中最为常见，而上送上回送风方式多用于海工平台，实船测试结果与模拟结果也比较接近，而下送风模式在常规海工船舶空调设计中应用较少。结合相关资料，分析结果显示下送风方式比较适用于采暖工况，尤其适合长期需服役在北欧等寒冷区域的海工作业船舶或平台。
参考文献：
[1]邢娜.热舒适条件下的船舶空调节能研究[D].上海海事大学，2007
论文作者:郭朝海
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/9
标签：模型论文; 空调论文; 船舶论文; 风速论文; 温度论文; 单元论文; 方程论文; 《基层建设》2019年第4期论文;