基于SMAA-2评价方法的船舶影剧院送风方式分析

2024年2月5日发(作者：北京青年任知了)

基于 SMAA-2评价方法的船舶影剧院送风方式分析

摘要：船舶影剧院作为船舶上游客重要的文化交流中心，其内部的气流组织设计直接影响游客的观影体验。本文采用CFD方法，研究采用不同送风方式时，影剧院气流组织的优劣。选取船舶影剧院实际应用中的三种背景送风方式：使用旋流风口上送下回送风、使用球型喷口后侧送下回送风、使用百叶风口侧送下回送风，与座椅下多孔管送风方式进行对比。并根据热舒适性、送风有效性和污染物去除有效性三个维度，使用SMAA-2评价方法进行对比分析。分析表明，座椅下多孔管送风有显著优势。

关键词：船舶影剧院；气流组织；数值模拟；SMAA-2评价方法

1 引言

随着国家经济发展与现代化水平的提升，国家逐渐将目光从内陆发展转向海洋开发，作为目前造船界极具代表性的豪华邮轮等产业正在我国兴起。影剧院作为船舶上传播文化艺术的重要场所，对于现代化的建筑风格与舒适的室内环境都具有极高的要求。

影剧院具有分区布置、人员密度大、阶梯分布等特点。一般影剧院建筑的外墙占总维护面积的比例较大，因此室外环境对影剧院室内的气流组织具有一定影响，在冬季工况下，室外低温环境容易使影剧院四周墙面形成下降冷气流。影剧院建筑不仅高度比办公楼建筑高，单体建筑面积也较大，室内体积比一般建筑大很多。如果没有一个合理的空调送风方案，将会极大的影响观影体验。

本文将探究使用旋流风口上送下回、使用球型喷口上送下回和使用百叶风口侧送下回送风及座椅下多孔管送风方案对影剧院气流组织影响，为影剧院的送风设计提供优化建议。

2 数学物理模型

2.1 影剧院物理模型

本文选取某一影剧院，其尺寸为9m×6m×5.2m，前排为舞台区，舞台尺寸为2m×6m×0.6m，设有五级台阶，每级台阶尺寸为6m×1m×0.3m，内部设有25个座位，以5排×5列分布。该影剧院送风温度为20℃，送风量为1458m/h。

旋流风口上送下回：在影剧院顶棚中心处使用三个半径为0.25m的旋流风口，舞台处设置两个回风口，尺寸为0.5m×0.4m。单个旋流风口送风量为486m/h，物理模型如图1（a）所示；

球型喷口后送下回：采用三个半径为0.1m的球型喷口均匀布置在观众区候补墙上方，两个回风口设置在同侧墙下方，长×宽为0.5m×0.4m。球型喷口送风4.3m/s，物理模型如图1（b）所示；

百叶风口侧送下回：采用四个尺寸为0.4m×0.2m的百叶风口，对称布置在观众区两侧墙上方。两个回风口设置在两侧墙下方，长×宽为0.5m×0.4m。百叶风口送风1.27m/s，物理模型如图1（c）所示。

座椅下多孔管：采用座椅下横梁作为风管，在风管上开若干小孔，空气从下方风管中送出，单个座椅风量为55.8m³/h，送风速度0.258m/s，物理模型如图1（d）所示。

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（a）旋流风口上送下回

（b）球型喷口后送下回

（c） 百叶风口侧送下回

（d）座椅下多孔管风口

图1 不同送风方式示意图

2.2 影剧院边界条件

1、船舶影剧院为无窗设计，壁面均设为第二类边界条件。船舶影剧院室内设计温度26℃，舱室外走廊温度24℃。影剧院壁面传热系数取值1.12W/（m·K），因此将影剧院左右墙壁热流密度设为2.24W/m。其余壁面设为绝热。

2、观众是影剧院内主要热源，设每个观众散热量为96W。观影时灯光处于关闭状态，因此不考虑散热。同时观众也是污染源，污染物为CO2，设置CO2释放量为1500ppm。送风CO2浓度为300ppm。

3、排风口为格栅风口，开口率0.75，设为自由出流。

4、选取标准 湍流模型进行模拟。

223 影剧院背景送风方案的对比研究

各种送风方式下影剧院内温度如图2所示。从图2可以看出，座椅送风的送风温度为23℃，由于送风温差小于其他送风方式，且送风口位于热源区，可以有效降低热源附近的温度，所以在影剧院内形成的温度场分布更为均匀；送风口位于座椅下，在观众区整体呈现上高下低的温度分布，观众脚踝靠近风口位置，小

腿以下区域温度较低；随着高度的增加，低温空气吸收观众产生的热量，温度逐渐升高，保证观众区的温度维持在26.23℃左右。

影剧院采用旋流风口顶送时，由于送风温差较大，低温低速气流从上方送达观众区，与观众区产生的热气流形成热对流，在观众区上方产生温度分层现象；第一排观众前方为舞台区，没有座椅的阻挡作用，从旋流风口出来的低温低速气流可以有效带走第一排观众产生的热量；后排由于座椅的阻碍作用，送风无法有效进入观众区带走热量，后排观众整体温度高于第一排观众周边温度，尤其中间区域观众，温度相比四周观众较高。在观众区温度变化不大，平均温度约为26.42℃。

影剧院采用后部球型喷口送风时，低温高速的气流从球型喷口喷出，卷吸周围空气，在后排观众上方形成低温射流，后排观众周围温度明显低于其他观众区域；与影剧院内气流混合，温度逐渐升高，速度下降，在第一排观众前方形成回流，有效降低前排观众区的温度；整体观众区呈现前高后低的温度场分布，由于座椅与观众的阻碍作用，送风无法有效降低中间观众周围温度，中间观众产生的热量积聚，使观众区中间区域温度高于四周，观众区平均温度约为26.31℃。

影剧院使用百叶风口侧送时，观众区温度较为均匀，低温空气水平从观众区两侧墙百叶风口送出，有效降低观众区温度；由于回风口设置在同侧墙下方，观众处于回流区，观众产生的热量可以及时排走，观众的热舒适性良好，同时也存在座椅与观众的阻碍作用，中间观众温度稍高与两侧观众，观众区平均温度约为26.36℃。

从观众区温度分布角度考虑，百叶风口侧送在观众区形成的温度场均匀性最好，其次为旋流风口顶送与座椅下多孔管风口送风，球型喷口上送时观众区温度最不均匀。

（a）座椅下多孔管风口

（b）旋流风口上送

（c）球型喷口后送

（d）百叶风口侧送

图2 各种送风方式典型截面温度

4 SMAA-2方法的影剧院气流分布评价

SMAA-2方法是由Lahdelma和Salminenen于2001年共同提出的，针对一个项目的m个方案，n个指标的综合优化问题，选取通用效用函数或价值函数，对随机多目标进行函数运算，通过分析排序优选处最佳的概率指标。它将指标分为成本型和效益型，构建指标表现值矩阵，并对其进行权重加权。对于权重区间已知具有最大最小值区间的情况，用均匀分布密度函数来描述权重分布。指标表现值的不确定性用随机指标值来描述，用概率分布密度函数表述其概率分布。通过迭代来得到各种方案的可接受度。

在送风有效性方面，评价指标选取为空气分布特性指标ADPI和PMV;送风有效性方面，选取评价指标为空气龄和换气效率；污染物去除有效性方面，选取评价指标为排污效率和CO2浓度。不同风口下影剧院送风方案指标表现值如表1所示。

表1 各方案指标表现值

属性

风口

q3

q1

ADPI

q4

换气效率

（%）

q6

q5

排污效率

CO2浓度

(ppm)

q2

PMV

空气龄

（s）

多孔管风口

0.98

0.03

368

98.3

1.25

346

旋流风口

0.84

0.43

512

67.7

0.86

406

球型喷口

0.70

0.37

586

40.7

0.82

402

百叶风口

0.94

0.27

345

79.5

1.06

376

将上述各指标规范后如表2所示。

表2 各方案指标规范值

属性

q1

q2

q3

q4

q5

q6

名称

多孔管风口

0.1

0.1

0.35

0.65

1

1

旋流风口

0.20

0.25

1

1

0

0

球型喷口

1

1

0.51

0.47

0.12

0.12

百叶风口

0.35

0.20

0.65

0.50

1

1

各方案迭代后可接受度和权重值如表3所示。

表3 不同方案可接受度和权重

风口类型

多孔管风口

0.575

0.424

0.121

0.192

0.293

0.256

0.224

0.217

0.205

0.186

旋流风口

0.347

0.224

0.062

0.665

0.123

0.117

0.122

0.119

0.231

0.212

球型喷口

0.267

0.386

0.129

0.036

0.210

0.106

0.145

0.144

0.123

0.189

百叶风口

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，座椅下多孔管风口在各属性权重为0.293、0.256、0.224、0.217、0.205、0.186，说明在热舒适、有效送风及排污能力上，影剧院采用座椅下多孔管风口送风综合性能最佳，其次为百叶风口侧送，球型喷口的各属性权重最小，表示在该送风方式下影剧院内的气流组织最差。

5 结论

本文对比了船舶影剧院座椅下多孔管送风方式和常用的三种背景送风：使用旋流风口上送下回、使用球型喷口后送下回、使用百叶风口侧送下回。并且采用SMAA-2评价方法，通过模拟对比可以看出，传统背景送风方式下影剧院气流分布不均，部分区域存在送风死角。座椅下多孔管送风不仅为观众提供更为舒适的观影环境，同时营造了更健康的影剧院气流组织，更适合船舶影剧院的设计。

作者简介：

杨卫国，本科，海军装备部驻上海地区第八军事代表室，上海市中山南一路168号411室，邮箱*************