本研究报告关注一项针对潜艇集控舱室环境控制与舒适性的原始研究。此项研究由杨怀德（通讯作者）、李志印、石旭东和张瑶共同完成，其中杨怀德、李志印、张瑶来自中国舰船研究设计中心，石旭东来自华中科技大学。该项研究成果以《潜艇集控舱室气流组织仿真及舒适性研究》为题，发表在《制冷与空调》期刊2020年第34卷第3期上。

此项研究的学术背景根植于舰船环境工程与建筑环境技术领域，具体聚焦于潜艇密闭舱室的气流组织（Air Distribution）与热舒适性（Thermal Comfort）模拟分析与优化。研究动机源于潜艇密闭舱室空调通风系统的特殊限制条件：其无法随时与外界进行气体交换。而集控舱室作为潜艇的主要工作区域，具有人员密集、设备散热多等特点，导致其内部空气环境（温湿度、风速、污染物浓度）问题尤为突出。对舱室环境进行有效控制，为艇员提供舒适的生存与工作环境，是评估潜艇总体性能的重要指标。鉴于此，研究团队旨在通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）这一现代工程仿真技术，对潜艇集控舱室在夏季典型工况下的内部气流组织、温度分布、二氧化碳（CO2）浓度以及预测平均投票（Predicted Mean Vote, PMV）等关键舒适性指标进行高精度数值模拟。研究的核心目标是评估现有送风设计方案的有效性，验证其在两种典型工作状态（水上、水下）下是否能够满足预设的舱室环境设计参数与人员舒适性要求，从而为潜艇舱室气流组织的设计优化提供理论依据和数据支持。

本研究的工作流程清晰严谨，主要包含以下六个关键步骤： 第一步：物理模型建立与简化。 研究以某型舰艇的集控舱室为研究对象，严格按照1:1的比例进行三维建模。为了在保证计算精度的前提下提高计算效率，研究对复杂舱室结构进行了合理简化。模型包含两条位于工作人员头顶上方的送风管道，每条管道设有四个送风口，并在舱门下部设置了一个矩形回风口。舱内工作人员被简化为倒Z字形分布的发热体，并在人体模型上设置了20mm×20mm的方形小口，用以模拟人体呼吸过程。舱内的其他相关设备也在不影响计算结果的前提下进行了适当简化，最终形成的简化三维模型为后续的网格划分和数值计算奠定了基础。 第二步：数值模拟模型与控制方程设置。 研究采用基于两方程湍流模型的CFD方法进行求解。控制方程组涵盖了描述舱室内空气流动与传热传质现象的核心物理定律，包括质量守恒方程（连续性方程）、动量方程（纳维-斯托克斯方程）、能量方程以及用于模拟CO2扩散的传质方程。这些偏微分方程组构成了模拟舱内空气速度场、温度场和浓度场的数学基础。 第三步：网格划分与无关性验证。 鉴于模型结构复杂，研究采用了非结构化网格对计算域进行离散，并对风管及送风口等关键区域进行了局部网格加密。为确保计算结果的准确性不受网格密度影响，研究进行了网格无关性验证。研究人员选取了特定计算方案中的典型截面，比较了网格数分别为200万、300万、400万和500万时的风速与温度计算结果。数据显示，当网格数达到400万与500万时，计算结果已非常接近。综合考虑计算精度与效率，研究最终确定了采用400万网格的划分方案进行所有工况的模拟计算。 第四步：计算假设与边界条件设定。 为简化实际问题、便于数值求解，研究提出了若干合理假设：将舱室内空气视为不可压缩流体（密度变化仅影响浮升力）；假设流动为充分发展的稳态湍流；忽略辐射换热；假设风管壁面绝热；舱室除送、回风口外密闭良好；人员静止不动。边界条件的设定是模拟真实工况的关键。研究根据潜艇夏季航行特点，分别设置了水上和水下两种工况，其主要区别在于舱顶内壁面的温度设定（水上28.85°C，水下50米水深时26.81°C）。其他关键边界条件包括：人体散热量按较大脑力劳动设置为135W/人；呼吸口设为速度入口（速度0.3m/s，温度27°C，CO2质量分数4%）；各类设备散热量根据实际工作状态设定，舱室总热负荷为5751W；送风口设为速度入口（速度1.62m/s，温度18°C）；回风口设为自由出流。舒适性评价指标依据国家标准和ASHRAE标准设定，包括风速（<0.5 m/s）、人员周围温度（<27°C）、CO2浓度（<0.10%）和PMV值（介于-1到1之间）。 第五步：数值模拟计算与数据提取。 在上述模型、网格和边界条件完备的基础上，研究分别对水上和水下两种设计工况进行了稳态CFD模拟计算。计算收敛后，为了全面分析舱室环境，研究选取了四个具有代表性的截面进行数据提取和可视化分析。这四个截面分别是：垂直地面的横切面（截面1）、坐姿时人腿部高度（0.4米，截面2）、人口鼻呼吸高度（0.95米，截面3）以及坐姿头部上方高度（1.4米，截面4）。针对每个截面，研究团队后处理并生成了速度场、温度场、PMV分布和CO2浓度分布的云图。 第六步：结果分析与对比。 这是研究流程中至关重要的一环。研究人员对两种工况下四个截面的可视化云图进行了详细的对比分析，评估速度、温度、PMV和CO2浓度在舱室空间内的分布均匀性、极值位置以及与设计标准的符合程度。

通过对模拟结果的深入分析，本研究获得了以下主要发现： 在速度场方面，无论是水上还是水下工况，舱内大部分区域的气流速度分布都较为均匀，且处于较低水平（大部分区域风速在0.1-0.4 m/s之间），满足小于0.5 m/s的设计要求。高速区仅出现在送风口正下方的射流核心区以及回风口附近，但这些区域均不处于人员的常规活动范围内（如送风口下方气流在到达人员活动高度前已充分扩散，高速区位于人员上方），因此不会对艇员造成不适的吹风感。 在温度场方面，两种工况下均呈现出一定的温度分层现象，即舱室上部温度高于下部。水上工况时，舱室大部分区域温度分布在24-26°C之间。由于水下工况的舱顶壁面温度设定较低（比水上工况低约2°C），导致水下工况的整体舱室温度，尤其是上部空间，相比水上工况要更低一些，但舱室下部区域温度两者基本相当。工作台等热源附近存在局部高温区，但人员周围温度基本维持在24-26°C的舒适范围内，满足低于27°C的设计标准。 在热舒适性（PMV）指标方面，两种工况的分布规律相似。除送风口正下方等局部低温高速区域PMV值略低（约-1，微凉感），以及个别热源附近PMV值略高外，整个舱室绝大部分区域的PMV值集中在0（适中）附近波动。这表明在研究的送风方案下，舱室的热环境整体处于可接受的舒适区间（PMV介于-1到1之间）。 在空气品质（CO2浓度）方面，模拟结果显示，除工作人员口鼻呼吸源附近及其上风向因气流组织形成的局部CO2浓度较高区域外，舱室绝大部分空间的CO2浓度均匀地维持在0.04%-0.05%的低水平，远低于0.10%的国家标准限值。这证明该通风方案能有效地稀释和排除人员产生的CO2，保证了良好的舱内空气品质。

本研究的结论明确且具有工程指导意义。通过建立精确的数值模型并进行详尽的模拟分析，研究验证了所采用的空调送风方案（顶部管道送风、底部回风）对于潜艇集控舱室环境的控制是有效且合理的。无论是在夏季水上还是水下航行工况下，该方案均能创造出满足设计要求的舱室环境：气流速度柔和均匀，温度分布适宜，热舒适性指标（PMV）整体处于适中水平，CO2浓度得到有效控制。研究结果表明，该气流组织形式能够应对舱室高热负荷的挑战，为密集人员提供较为舒适的工作环境。

此项研究的价值体现在多个层面。在科学价值上，它展示了CFD技术在极端封闭、复杂多热源空间气流组织与环境预测方面的强大能力，为类似密闭空间（如航天器舱、地下掩体、洁净室等）的环境设计研究提供了方法学参考。在工程应用价值上，其结论直接服务于潜艇设计与建造，为集控舱室空调通风系统的设计、评估与优化提供了重要的理论依据和数据支撑，有助于在实际工程中避免设计缺陷，提升舰艇的总体人居环境和作战效能保障能力。

本研究的亮点突出。首先，研究目标具有特殊性，针对的是工况极端（密闭、高负荷）、要求严苛的潜艇集控舱室，研究结论具有直接的军事工程应用背景。其次，研究方法系统且严谨，完整涵盖了从物理建模、网格划分与验证、边界条件精细化设定到多工况对比分析的完整CFD研究流程，体现了较高的专业性。再者，研究分析维度全面，不仅关注传统的速度场和温度场，还综合评估了PMV热舒适指标和CO2污染物浓度场，从而对环境品质进行了多角度的综合评价。最后，研究通过对比水上与水下两种典型工况，揭示了外部环境（舱壁温度）对内部气流组织与温度分布的细微影响，增强了结论的普适性和工程指导意义。