基于SMAA-2評價方法的船舶影劇院送風方式分析

2024年2月5日發(作者：北京青年任知了)

基于 SMAA-2評價方法的船舶影劇院送風方式分析

摘要：船舶影劇院作為船舶上游客重要的文化交流中心，其內部的氣流組織設計直接影響游客的觀影體驗。本文采用CFD方法，研究采用不同送風方式時，影劇院氣流組織的優劣。選取船舶影劇院實際應用中的三種背景送風方式：使用旋流風口上送下回送風、使用球型噴口后側送下回送風、使用百葉風口側送下回送風，與座椅下多孔管送風方式進行對比。并根據熱舒適性、送風有效性和污染物去除有效性三個維度，使用SMAA-2評價方法進行對比分析。分析表明，座椅下多孔管送風有顯著優勢。

關鍵詞：船舶影劇院；氣流組織；數值模擬；SMAA-2評價方法

1 引言

隨著國家經濟發展與現代化水平的提升，國家逐漸將目光從內陸發展轉向海洋開發，作為目前造船界極具代表性的豪華郵輪等產業正在我國興起。影劇院作為船舶上傳播文化藝術的重要場所，對于現代化的建筑風格與舒適的室內環境都具有極高的要求。

影劇院具有分區布置、人員密度大、階梯分布等特點。一般影劇院建筑的外墻占總維護面積的比例較大，因此室外環境對影劇院室內的氣流組織具有一定影響，在冬季工況下，室外低溫環境容易使影劇院四周墻面形成下降冷氣流。影劇院建筑不僅高度比辦公樓建筑高，單體建筑面積也較大，室內體積比一般建筑大很多。如果沒有一個合理的空調送風方案，將會極大的影響觀影體驗。

本文將探究使用旋流風口上送下回、使用球型噴口上送下回和使用百葉風口側送下回送風及座椅下多孔管送風方案對影劇院氣流組織影響，為影劇院的送風設計提供優化建議。

2 數學物理模型

2.1 影劇院物理模型

本文選取某一影劇院，其尺寸為9m×6m×5.2m，前排為舞臺區，舞臺尺寸為2m×6m×0.6m，設有五級臺階，每級臺階尺寸為6m×1m×0.3m，內部設有25個座位，以5排×5列分布。該影劇院送風溫度為20℃，送風量為1458m/h。

旋流風口上送下回：在影劇院頂棚中心處使用三個半徑為0.25m的旋流風口，舞臺處設置兩個回風口，尺寸為0.5m×0.4m。單個旋流風口送風量為486m/h，物理模型如圖1（a）所示；

球型噴口后送下回：采用三個半徑為0.1m的球型噴口均勻布置在觀眾區候補墻上方，兩個回風口設置在同側墻下方，長×寬為0.5m×0.4m。球型噴口送風4.3m/s，物理模型如圖1（b）所示；

百葉風口側送下回：采用四個尺寸為0.4m×0.2m的百葉風口，對稱布置在觀眾區兩側墻上方。兩個回風口設置在兩側墻下方，長×寬為0.5m×0.4m。百葉風口送風1.27m/s，物理模型如圖1（c）所示。

座椅下多孔管：采用座椅下橫梁作為風管，在風管上開若干小孔，空氣從下方風管中送出，單個座椅風量為55.8m3/h，送風速度0.258m/s，物理模型如圖1（d）所示。

33

（a）旋流風口上送下回

（b）球型噴口后送下回

（c） 百葉風口側送下回

（d）座椅下多孔管風口

圖1 不同送風方式示意圖

2.2 影劇院邊界條件

1、船舶影劇院為無窗設計，壁面均設為第二類邊界條件。船舶影劇院室內設計溫度26℃，艙室外走廊溫度24℃。影劇院壁面傳熱系數取值1.12W/（m·K），因此將影劇院左右墻壁熱流密度設為2.24W/m。其余壁面設為絕熱。

2、觀眾是影劇院內主要熱源，設每個觀眾散熱量為96W。觀影時燈光處于關閉狀態，因此不考慮散熱。同時觀眾也是污染源，污染物為CO2，設置CO2釋放量為1500ppm。送風CO2濃度為300ppm。

3、排風口為格柵風口，開口率0.75，設為自由出流。

4、選取標準 湍流模型進行模擬。

223 影劇院背景送風方案的對比研究

各種送風方式下影劇院內溫度如圖2所示。從圖2可以看出，座椅送風的送風溫度為23℃，由于送風溫差小于其他送風方式，且送風口位于熱源區，可以有效降低熱源附近的溫度，所以在影劇院內形成的溫度場分布更為均勻；送風口位于座椅下，在觀眾區整體呈現上高下低的溫度分布，觀眾腳踝靠近風口位置，小

腿以下區域溫度較低；隨著高度的增加，低溫空氣吸收觀眾產生的熱量，溫度逐漸升高，保證觀眾區的溫度維持在26.23℃左右。

影劇院采用旋流風口頂送時，由于送風溫差較大，低溫低速氣流從上方送達觀眾區，與觀眾區產生的熱氣流形成熱對流，在觀眾區上方產生溫度分層現象；第一排觀眾前方為舞臺區，沒有座椅的阻擋作用，從旋流風口出來的低溫低速氣流可以有效帶走第一排觀眾產生的熱量；后排由于座椅的阻礙作用，送風無法有效進入觀眾區帶走熱量，后排觀眾整體溫度高于第一排觀眾周邊溫度，尤其中間區域觀眾，溫度相比四周觀眾較高。在觀眾區溫度變化不大，平均溫度約為26.42℃。

影劇院采用后部球型噴口送風時，低溫高速的氣流從球型噴口噴出，卷吸周圍空氣，在后排觀眾上方形成低溫射流，后排觀眾周圍溫度明顯低于其他觀眾區域；與影劇院內氣流混合，溫度逐漸升高，速度下降，在第一排觀眾前方形成回流，有效降低前排觀眾區的溫度；整體觀眾區呈現前高后低的溫度場分布，由于座椅與觀眾的阻礙作用，送風無法有效降低中間觀眾周圍溫度，中間觀眾產生的熱量積聚，使觀眾區中間區域溫度高于四周，觀眾區平均溫度約為26.31℃。

影劇院使用百葉風口側送時，觀眾區溫度較為均勻，低溫空氣水平從觀眾區兩側墻百葉風口送出，有效降低觀眾區溫度；由于回風口設置在同側墻下方，觀眾處于回流區，觀眾產生的熱量可以及時排走，觀眾的熱舒適性良好，同時也存在座椅與觀眾的阻礙作用，中間觀眾溫度稍高與兩側觀眾，觀眾區平均溫度約為26.36℃。

從觀眾區溫度分布角度考慮，百葉風口側送在觀眾區形成的溫度場均勻性最好，其次為旋流風口頂送與座椅下多孔管風口送風，球型噴口上送時觀眾區溫度最不均勻。

（a）座椅下多孔管風口

（b）旋流風口上送

（c）球型噴口后送

（d）百葉風口側送

圖2 各種送風方式典型截面溫度

4 SMAA-2方法的影劇院氣流分布評價

SMAA-2方法是由Lahdelma和Salminenen于2001年共同提出的，針對一個項目的m個方案，n個指標的綜合優化問題，選取通用效用函數或價值函數，對隨機多目標進行函數運算，通過分析排序優選處最佳的概率指標。它將指標分為成本型和效益型，構建指標表現值矩陣，并對其進行權重加權。對于權重區間已知具有最大最小值區間的情況，用均勻分布密度函數來描述權重分布。指標表現值的不確定性用隨機指標值來描述，用概率分布密度函數表述其概率分布。通過迭代來得到各種方案的可接受度。

在送風有效性方面，評價指標選取為空氣分布特性指標ADPI和PMV;送風有效性方面，選取評價指標為空氣齡和換氣效率；污染物去除有效性方面，選取評價指標為排污效率和CO2濃度。不同風口下影劇院送風方案指標表現值如表1所示。

表1 各方案指標表現值

屬性

風口

q3

q1

ADPI

q4

換氣效率

（%）

q6

q5

排污效率

CO2濃度

(ppm)

q2

PMV

空氣齡

（s）

多孔管風口

0.98

0.03

368

98.3

1.25

346

旋流風口

0.84

0.43

512

67.7

0.86

406

球型噴口

0.70

0.37

586

40.7

0.82

402

百葉風口

0.94

0.27

345

79.5

1.06

376

將上述各指標規范后如表2所示。

表2 各方案指標規范值

屬性

q1

q2

q3

q4

q5

q6

名稱

多孔管風口

0.1

0.1

0.35

0.65

1

1

旋流風口

0.20

0.25

1

1

0

0

球型噴口

1

1

0.51

0.47

0.12

0.12

百葉風口

0.35

0.20

0.65

0.50

1

1

各方案迭代后可接受度和權重值如表3所示。

表3 不同方案可接受度和權重

風口類型

多孔管風口

0.575

0.424

0.121

0.192

0.293

0.256

0.224

0.217

0.205

0.186

旋流風口

0.347

0.224

0.062

0.665

0.123

0.117

0.122

0.119

0.231

0.212

球型噴口

0.267

0.386

0.129

0.036

0.210

0.106

0.145

0.144

0.123

0.189

百葉風口

0.371

0.388

0.231

0.075

0.214

0.221

0.227

0.232

0.155

0.149

由表3可知，座椅下多孔管風口在各屬性權重為0.293、0.256、0.224、0.217、0.205、0.186，說明在熱舒適、有效送風及排污能力上，影劇院采用座椅下多孔管風口送風綜合性能最佳，其次為百葉風口側送，球型噴口的各屬性權重最小，表示在該送風方式下影劇院內的氣流組織最差。

5 結論

本文對比了船舶影劇院座椅下多孔管送風方式和常用的三種背景送風：使用旋流風口上送下回、使用球型噴口后送下回、使用百葉風口側送下回。并且采用SMAA-2評價方法，通過模擬對比可以看出，傳統背景送風方式下影劇院氣流分布不均，部分區域存在送風死角。座椅下多孔管送風不僅為觀眾提供更為舒適的觀影環境，同時營造了更健康的影劇院氣流組織，更適合船舶影劇院的設計。

作者簡介：

楊衛國，本科，海軍裝備部駐上海地區第八軍事代表室，上海市中山南一路168號411室，郵箱*************