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基于Airpak的船舶空调舱室热环境数值模拟.pdf
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1、节能基础科学49NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION基于Airpak的船舶空调舱室热环境数值模拟陈广旭1 臧建彬2*(1.上海电力大学能源与机械工程学院,上海 200090;2.同济大学机械与能源工程学院,上海 201804)摘要:选择某船舶夏季空调舱室为研究对象,为了探究舱室中的船员是否处于热舒适良好的环境中,运用Airpak软件对船舶空调舱室进行模拟,并对船舶空调舱室中X=3 m、Y=1.2 m两个截面进行重点研究,对其中影响两位船员热舒适度的因素如室内空气温度、压力、速度、PMV-PPD以及空气龄进行重点分析。研究表明,船员所处环境热舒适性良好,符合设计要求和
2、规范,模拟结果能够为类似的船舶空调舱室设计和改良提供参考。关键词:Airpak;船舶空调;热舒适性;数值模拟中图分类号:U667 文献标志码:A 文章编号:1004-7948(2023)10-0049-04 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.014Numerical simulation of thermal environment of ship air conditioning cabin based on AirpakCHEN Guang-xu ZANG Jian-binAbstract:The air-conditioned cabin of a
3、 ship in summer is taken as the research object.In order to explore whether the crew in the cabin is in a good thermal comfort environment,Airpak software is used to simulate the air-conditioned cabin of the ship,and the two sections of X=3 m and Y=1.2 m in the air-conditioned cabin of the ship are
4、studied.The factors that affect the thermal comfort of the two crew members,such as indoor air temperature,pressure,velocity,PMV-PPD and air age,are analyzed.The study indicates that the thermal comfort of the crews environment is good and meets the design requirements and specifications.The simulat
5、ion results can provide a reference for the design and improvement of similar air conditioning cabins in ships.Key words:Airpak;marine air conditioning;thermal comfort;numerical simulation引言海洋运输量占据总运输量的2/3以上。船员在船舶空调舱室中所处环境的热舒适性直接影响其工作状态与生活品质,也会间接影响船舶航行的安全。与陆地建筑相比,船舶空间狭小有限,人员密集,对空调舱室的空气流动性和人体舒适性具有更高的
6、要求1。Fanger2-3等对4种新陈代谢率的试验结果进行曲线拟合和分析,得到预测平均投票数(PMV)指标,又针对PMV指标的局限性引入预测不满意百分比(PPD)指标评价环境的热舒适性。楼海军4等分析船舶空调舱室在不同温度、相对湿度组合下的PMV、PPD值及系统热负荷,探究舱室内温度、相对湿度对热舒适性及能耗的影响。文中利用Fluent旗下的Airpak软件对船员空调居住舱室进行数值模拟,对整个船员所处的空调居住舱室内的空气温度、压力、速度、空气龄及PMV-PPD进行计算,为今后船舶空调舱室设计或节能减排提供参考。1模型建立及其边界条件1.1物理模型文中选用某船舶船员空调居住舱室为研究对象,船
7、员空调居住舱室长6 m(X),高3 m(-Y),宽6 m(Z)。在X-Y面、Z=0 m处建立1.0 m0.6 m的窗户;在Z-Y平面、X=6 m处建立2.0 m0.8 m的门体;在X-Y平面,Z=6 m处建立1.0 m0.6 m的窗户。船舶舱室三维物理模型如图1所示。此舱室处于船舶中层位置,左侧墙壁与外界直接接图1船舶舱室三维物理模型作者简介:陈广旭(1994),男,硕士在读,研究方向为载运工具环境控制与节能、椭圆管换热器、船舶空调。通信作者:臧建彬(1973),男,博士,教授,研究方向为载运工具环境控制与节能、建筑节能及新能源应用。收稿日期:2023-01-17引用本文:陈广旭,臧建彬.基于
8、Airpak的船舶空调舱室热环境数值模拟 J.节能,2023,42(10):49-52.节能基础科学50节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023触,其余5个墙壁为绝热壁面。舱室内住有两名船员,配备两个20 W的台灯、两台200 W的电脑以及两张床铺等,舱室各物品的数量、尺寸和功率如表1所示。室内通风采用同侧送风、上送下回的送风模式。1.2数学模型为了简化计算,对计算模型进行如下假设:舱室内空气为不可压缩流体,符合Boussinesq假设;舱室内空气稳态流动;除左侧墙壁外,其余壁面均为绝热壁面;舱室内忽略门窗漏风的影响。夏季时船员空调居住舱室内空调送风方式采用机械通风,基
9、于上述假设,采用k-RNG湍流模型,确定控制方程5。连续性方程为:xx+yy+zz=0(1)式中:x流速在x方向的分量;y流速在y方向的分量;z流速在z方向的分量。动量方程为:xj(uiuj)=pxi+rijxj+gi+Fi(2)ij=uixj+ujxi-23uixiij(3)式中:ij黏性力张量;黏度;p静压,Pa;gii方向的体积力;Fi由热源、污染源等引起的源项;ij指示两个速度分量,当i=j时取 1,否则取0。能量守恒方程为:xi(uih)=xi(k+ki)Txi+Sh(4)式中:k导热率;ki湍流扩散引起的导热率;Sh体积热源。组分方程为:ml+uimlx=x(Dlmlxi)+Sl(
10、5)式中:ml单位体积内组分l的质量,Dl扩散系数,由费克定律得出;Sl单位体积内组分l的生成率。2数值模拟方法2.1网格划分为了保证模拟结果的准确性,网格需要具有较高的质量。在求解方程前,需保证靠近墙壁的物体享有更高的优先级,可将屋顶、地面和四周墙壁的优先等级设置为0。船舶空调舱室内部物品摆放杂乱,为了更好地反映室内空气流动状态,须对桌子、电脑、台灯等设备进行网格加密,同时应对送风口与出风口进行网格加密。计算模型采用六面体非结构化网格,网格处理方式为Normal型,网格最大单元的X、Y、Z尺寸为该空间对应尺寸的1/60,网格数288 569个,节点数303 652个。绝大部分网格Face a
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