客機座艙新型個性座椅送風系統(tǒng)的數(shù)值仿真

孫賀江，李衛(wèi)娟，楊 斌

(1. 天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072；2. 河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津 300401)

目前，世界上每年都有超過十億人乘坐飛機．調(diào)查表明，座艙內(nèi)有大約25%的乘客對座艙內(nèi)的熱環(huán)境表示不滿意[1]．近幾年爆發(fā)的大型傳染病也有很多是通過座艙環(huán)境傳播的，所以一個舒適健康的座艙環(huán)境非常重要．本研究提出了一種新型的個性送風方式，以解決乘客的舒適健康問題．

個性送風是一種將新鮮空氣直接送到人體呼吸區(qū)域的送風方式，在人體周圍形成一個微環(huán)境來阻隔外界的影響[2]．個性送風系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用已進行了很多研究[3-7]，近幾年人們開始研究個性送風在大型客機中的應(yīng)用．通過數(shù)值模擬方法對混合通風、置換通風和個性座椅通風進行的研究顯示，個性送風系統(tǒng)下人體呼吸區(qū)域的二氧化碳濃度、風速和溫度是3種送風方式中最低的[8]．通過個性送風可以保護乘客不受鄰近其他乘客引起的不良氣流的影響，同時可以通過提高個性送風的空氣相對濕度來提高乘客周圍區(qū)域的空氣相對濕度[9]．通過實驗和調(diào)查問卷對個性座椅送風進行研究發(fā)現(xiàn)，當室溫超過24,℃時個性送風的效果會更加明顯；當室溫超過26,℃時，個性送風低于室溫2～3,℃可提高乘客熱舒適感；調(diào)節(jié)送風口角度可以提高人體吸入空氣的品質(zhì)[10]．通過研究一種新型個性座椅送風系統(tǒng)表明，個性送風可以有效地控制污染物的傳播，并且不會引起較大的吹風感[11]．

通過上述研究可以看出，個性送風系統(tǒng)可以提供給乘客高品質(zhì)的空氣和舒適的微環(huán)境，但是對于乘客的整體舒適性和局部熱舒適性沒有給出具體的評價指標及結(jié)果．基于以上對個性送風系統(tǒng)的研究，本研究提出一種新型的個性座椅送風系統(tǒng)，以解決人們對熱舒適的要求．個性送風系統(tǒng)對乘客的不同部位采用分別控制的方法．送風系統(tǒng)單獨使用，不與其他送風系統(tǒng)混合使用．

1 研究方法

隨著計算機的不斷發(fā)展，計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)的應(yīng)用越來越普遍．本研究采用RNG k-ε 湍流模型[12]對客機座艙的流場和溫度場進行預(yù)測．在計算前，首先采用一個簡化的座艙模型對計算方法進行驗證[13]．該模型是根據(jù)雙通道半艙滿員座艙簡化而來，包含了座艙氣流組織中典型的射流和熱羽流現(xiàn)象．測量實驗由美國普渡大學機械工程學院完成．

圖1為簡化座艙的幾何模型．模型幾何尺寸為2.44,m × 2.44,m × 2.44,m ．箱 子 尺 寸 為 1.22,m ×1.22,m×1.22,m，置于房間的中心．送風口為條縫，0.03,m×2.44,m．回風口尺寸為0.08,m×2.44,m．送風量為0.1,m3/s，送風溫度為22.2,℃．中間箱體的散熱量為700,W，其他壁面均為絕熱壁面．實驗測量斷面為兩個中心斷面．測點間距為等間距(0.15,m)．實驗還選取了10 個位置進行實驗與數(shù)值計算結(jié)果的比較，如圖2 所示．

圖3為實驗與模擬的流場比較．使用超聲波風速儀測量速度，受儀器尺寸的影響，在貼近壁面處無法布置測點，實驗沒有測量到貼近壁面射流區(qū)的情況．但是實驗測量結(jié)果還是能夠反映出射流現(xiàn)象和整個流場的流動趨勢．從圖中可以看出，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果有相似的流場形式，數(shù)值計算能準確地預(yù)測出流場的射流、回流和熱羽流特點．圖4 為位置2 的速度和溫度比較．其他位置的對比結(jié)果與該位置相似．從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果在數(shù)值大小和趨勢上都有很好的重合性，可見數(shù)值模擬方法可以準確地預(yù)測出這種封閉空間的主要流動特點．因此，這種數(shù)值方法用來預(yù)測真實座艙模型的流場情況也是可信的．

圖1 簡化座艙模型Fig.1 Schematic of a simplified cabin

圖2 測點位置分布Fig.2 Positions of compared points

網(wǎng)格生成工具采用ANSYS Icem 軟件，采用四面體網(wǎng)格．由于個性送風系統(tǒng)比混合送風要復(fù)雜，生成的網(wǎng)格數(shù)量也不同，混合送風模型生成的網(wǎng)格數(shù)量為500×104，個性送風模型生成的網(wǎng)格數(shù)量為600×104．計算工具采用ANSYS Fluent 軟件，計算湍流模型采用RNG k-ε模型，壓力與速度耦合方式采用SIMPLE 算法．空間離散方法中，壓力采用Second Order，其余采用Second Order Upwind．各項殘差均達到1×10-3以下，其中動能項的殘差達到1×10-6以下，計算結(jié)果已穩(wěn)定．

圖3 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的流場比較Fig.3 Comparison of flow field between experiment result and simulation result

圖4 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的速度和溫度比較Fig.4 Comparison of velocity and temperature between experiment result and simulation result

本研究對傳統(tǒng)混合送風方式和個性座椅送風方式的氣流組織分別進行了數(shù)值模擬．采用的幾何模型為3 排單通道滿員的座艙模型，共有18 名乘客．圖5 所示為傳統(tǒng)混合送風方式和個性座椅送風方式的座艙幾何模型．

圖5(a)為混合送風方式，座艙模型的行李架附近有2 排對稱的送風口，在座艙側(cè)壁下方有2 排對稱的回風口．送風由新風和回風組成，其中新風量為每座5,L/s，回風量為每座5,L/s．圖5(b)為個性座椅送風方式下單個座椅的幾何模型．個性座椅的扶手處和底部均設(shè)置有送風口，扶手送風口送出的為新風，送到乘客上半身及呼吸區(qū)域，負責帶走乘客上半身的熱量并提高呼吸區(qū)域的空氣質(zhì)量，送風量為每座5,L/s；座椅底部送風口送出的為溫度較高的回風，保護乘客腳部不受冷地板的影響，送風量為每座5,L/s.回風口設(shè)置在座艙行李架側(cè)．兩種送風方式的邊界條件如表1 所示．Fluent 計算時將送風口的邊界條件設(shè)置為 velocity-inlet ，回風口的邊界條件設(shè)置為pressure-outlet．座艙前后壁面和座椅設(shè)置為絕熱壁面，其他壁面為溫度壁面，具體溫度見表1．座艙內(nèi)設(shè)計溫度為24,℃，熱源包括人體和燈兩部分，其他壁面均為冷壁面．

圖5 座艙送、回風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic of supply and return air systems

表1 兩種送風方式的邊界條件Tab.1 Boundary conditions of the two air distribution systems

2 研究結(jié)果

圖6所示為混合送風方式下流場的流線．從圖中可以看出，高速氣流從送風口出來后沿行李架貼附射流，兩側(cè)氣流在座艙上側(cè)相遇后下降．一部分空氣回流經(jīng)過人體周圍并帶走人體的熱量，另一部分空氣直接流經(jīng)人員腳部并從回風口排出．圖7 所示為個性座椅送風方式下流場的流線．從圖中可以看出，新鮮空氣從扶手送風口出來后直接到達人體呼吸區(qū)域，能有效避免交叉感染．新鮮空氣經(jīng)過人體上半身區(qū)域后，一部分直接從上部排風口排出，一部分在座艙內(nèi)循環(huán)．從底部送風口出來的再循環(huán)空氣經(jīng)過乘客腳部后受熱浮力影響上升，一部分經(jīng)排風口排出，一部分在座艙內(nèi)循環(huán)．

圖6 混合送風方式下流場的流線Fig.6 Flow streamlines in mixing air distribution

圖7 個性座椅送風方式下流場的流線Fig.7 Flow streamlines in personalized air distribution

為了定量地分析乘客區(qū)域的氣流組織，本研究選取了3 條線來代表3 個不同位置的乘客．圖8 為3條線的位置，每條線又分為2 段．上半段線代表乘客上半身區(qū)域，從腰部到頭部靠上，高度范圍為0.5～1.3,m，y 方向上距離頭部0.1,m；下半段線代表乘客腿部區(qū)域，從腳踝到膝蓋，高度范圍為0.1～0.5,m，y方向上與上半段線距離為0.4,m．通過分析3 條線上的速率和溫度情況，來分析座艙內(nèi)乘客的熱舒適情況．

圖8 3條代表線的位置示意Fig.8 Locations of the three representative lines

圖9所示為兩種送風形式下3 條代表線的速度比較．兩種送風形式下的速度分布都符合ASHARE 161[14]的要求(＜0.3,m/s)．Line 1 中混合送風形式下乘客腰部和膝蓋部分風速較大，容易引起吹風感．個性座椅送風系統(tǒng)的速度要低于混合送風，且風速分布均勻．這是由于個性座椅送風的送風口較分散且送風速度低．圖10 所示為兩種送風形式下3 條代表線的溫度比較．從圖中可以看出，在人體腰部區(qū)域由于有空氣滯留原因溫度較高，其余部分溫度較均勻．其中個性座椅送風系統(tǒng)的溫度要高于混合送風．這是由于個性送風的送風溫度較高．個性座椅送風使大部分區(qū)域都在24～26,℃，有效提高了腿部周圍的溫度，消除了冷地板的影響．

為了進一步定量分析兩種送風系統(tǒng)形式的舒適性，本研究采用多個舒適度指標評價兩種送風方式．包括預(yù)測平均反應(yīng)(PMV)、預(yù)期不滿意百分率(PPD)、吹風引起的不滿意率(DR)和垂直溫差引起的不滿意率(PD)．

PMV 與PPD 用來評價乘客的整體熱舒適，吹風引起的不滿意率(DR)和垂直溫差引起的不滿意率(PD)用來評價乘客的局部熱舒適．其中，吹風引起的不滿意率主要針對頭部區(qū)域和腿部區(qū)域這些敏感部位，垂直溫差指的是頭部與腳部的溫差．表2 列出了兩種送風形式下各舒適度指標的具體數(shù)值以及標準要求[15]．

ASHARE161[14]中規(guī)定座艙溫度為18.3～23.9,℃.混合送風形式下座艙溫度滿足此要求．但是從表2可以看出，混合送風的PMV 低于標準[15]要求的－0.5，PPD 也超過了要求的10%．乘客在此溫度下會感覺偏涼且不舒適．個性送風形式下座艙溫度也滿足此要求，且滿足PMV 和PPD 的標準要求；但是PMV 也是負值，說明座艙環(huán)境也處在偏涼的范圍．

與整體熱舒適相比較，座艙環(huán)境的局部熱舒適還是很令人滿意的．座艙環(huán)境的整體空氣速度很低，大部分區(qū)域的空氣速度小于0.1,m/s．從表2 可以看出，兩種送風方式的吹風不滿意率都符合標準[15]要求，其中個性座椅送風的吹風不滿意率要比混合送風低很多．兩種送風方式的垂直溫差不滿意率也都符合標準[15]要求，其中個性座椅送風的垂直溫差不滿意率比混合送風稍低．這說明兩種送風形式下人體周圍的環(huán)境溫度很均勻，不存在較大溫度分層．

圖9 兩種送風方式下人體周圍速率分布比較Fig.9 Comparison of air velocity distributions surrounding passengers under two air distribution systems

圖10 兩種送風方式下人體周圍溫度分布比較Fig.10 Comparison of air temperature distributions surrounding passengers under two air distribution systems

表2 兩種送風方式下各舒適度指標的具體數(shù)值以及標準要求Tab.2 Comfort benchmarks and indices of the two air distribution systems

通過對兩種送風形式的綜合比較，可以發(fā)現(xiàn)，相比于混合送風形式，個性座椅送風提供了一個空氣速度低、溫度均勻且各項舒適度指標均符合標準要求的座艙環(huán)境．

3 結(jié) 語

本研究對一種新型個性座椅送風系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真研究，并與傳統(tǒng)送風系統(tǒng)在速度、溫度和舒適度指標上進行了比較．為了滿足乘客不同部位的熱舒適要求，個性座椅送風系統(tǒng)針對乘客不同部位分別設(shè)置了送風口，不同送風口還設(shè)置了不同的送風溫度．針對乘客上半身區(qū)域，提供溫度較低的新鮮空氣；針對乘客下半身區(qū)域，提供溫度較高的再循環(huán)空氣．研究結(jié)果表明：①個性座椅送風系統(tǒng)能為呼吸區(qū)域提供干凈的全新風，提高新風利用效率；②個性座椅送風系統(tǒng)分散的送風口布置能有效降低乘客周圍的風速，降低吹風感；③個性座椅送風系統(tǒng)能使乘客大部分都在24～26,℃的舒適區(qū)，且有效提高了腿部周圍的溫度，消除了冷地板的影響；④個性座椅送風系統(tǒng)能夠獲得令人滿意的舒適度，提高整體熱舒適和局部熱舒適．

綜合考慮速度、溫度、舒適性和健康性因素，個性座椅送風系統(tǒng)提供了一個更好的座艙環(huán)境．

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