某型飛機座艙熱舒適分析

張彥龍　陳維建

摘 要：利用Matlab對Gagge二節(jié)點人體溫度調(diào)節(jié)模型進行編程，計算了飛機座艙環(huán)境下的人體溫度變化情況，并結(jié)合標準有效溫度對客艙舒適性的影響作出了評價。

關(guān)鍵詞：二節(jié)點模型；標準有效溫度；座艙空氣流場；熱舒適

中圖分類號：V245.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.097

1 人體溫度調(diào)節(jié)數(shù)學模型

二節(jié)點模型是Gagge等人于1970年首次提出的人體溫度調(diào)節(jié)數(shù)學模型。這是1個一維模型，它將人體看作2層，即核心層和皮膚層。新陳代謝發(fā)生在核心層，而其所產(chǎn)生的熱量則會通過呼吸、皮膚和衣服散失掉，如圖1所示。皮膚層包括表皮和真皮，約占人體總質(zhì)量的10%. 該模型可用于計算人體平均皮膚溫度和皮膚濕潤度，還可用于標準溫度有效值的計算。

標準有效溫度是通過人的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度來確定人的熱狀態(tài)?？蓪⑵涠x為，當身著標準熱阻服裝的人處于環(huán)境濕度為50%、空氣靜止不動、空氣溫度等于平均輻射溫度的條件下，如果其平均皮膚溫度和皮膚濕潤度與在實際環(huán)境和服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度相同，則該溫度就是實際環(huán)境的標準有效溫度值。

本文采用Matlab對二節(jié)點模型編寫程序，將環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、空氣流速、相對濕度、代謝產(chǎn)熱率和服裝熱阻等作為輸入條件，則輸出的是皮膚溫度和核心溫度。人體皮膚溫度和核心溫度初始設(shè)為33 ℃和37 ℃，人體新陳代謝為人靜坐時的58.2 met，相對濕度取客艙環(huán)境的30%，大氣壓力取1個標準大氣壓。

2 飛機座艙模型

飛機座艙區(qū)域較大，長度為15.9 m，19排座椅，共76人。座艙的空氣流場主要由供、排氣口的類型和位置確定。飛機座艙內(nèi)供氣口方案有3種，即天花板供氣、行李架側(cè)壁供氣和個人通風噴口，而客艙排氣口一般位于地板上方兩側(cè)壁的上面。客艙供氣方案的總供氣量為2 790 kg/h，天花板供氣量70%，供氣速度3.3 m/s；側(cè)壁板供氣量30%，供氣速度2 m/s；個人通風嘴外射初始速度為10～20 m/s，單個流量為20 kg/h?？紤]到客艙空氣流場流動具有周期性，因此，選擇一段客艙進行計算。計算區(qū)域包含4排座椅、5個玻璃窗口，2個斷面采用周期性邊界條件。利用ICEMCFD軟件完成對計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，采用塊對接結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約1 200萬，并對壁面附近進行了加密，以滿足湍流模型的要求。

3 計算結(jié)果

在分析客艙舒適性時，空氣流場計算結(jié)果取x切面上的數(shù)據(jù)（x切面平行于客艙前后，且穿過整個人體模型），3種工況下的計算結(jié)果如下。

3.1 制冷工況

座艙在制冷時，送風溫度為15 ℃，固壁面溫度為30 ℃。速度場計算結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)軟件采點計算得到，人體周圍座艙環(huán)境溫度為26 ℃，空氣流速為0.15 m/s。輸入相關(guān)程序后，得到人體皮膚的溫度變化，標準有效溫度值為21.9 ℃。

3.2 個人通風噴嘴打開工況

考慮到同一時間不是每個人都會打開通風噴嘴，所以，假定有50%的乘客打開了個人通風噴嘴，并且取打開到中間位時的噴嘴流量為10 kg/h，則供氣溫度與其他供氣口的溫度相同。

經(jīng)軟件采點計算得到，人體周圍座艙環(huán)境溫度為25 ℃，空氣流速為0.16 m/s。輸入相關(guān)程序后，得到人體的皮膚溫度變化如圖3所示，標準有效溫度值為22.2 ℃。

3.3 加溫工況

座艙在加溫時，送風溫度為30 ℃，固壁面溫度為12 ℃。其速度場分布與個人通風噴嘴打開時的情況相同。人體周圍座艙環(huán)境溫度為18 ℃，空氣流速為0.16 m/s。輸入相關(guān)程序后，得到人體皮膚溫度變化如圖4所示，標準有效溫度為16.3 ℃。

4 客艙舒適性評價

對照ASHRAE舒適標準54-74中關(guān)于舒適區(qū)域的劃分，制冷工況和個人通風噴嘴打開時的標準有效溫度值均在舒適區(qū)域附近（最舒適值為25 ℃）。當個人通風噴嘴打開時，客艙舒適性略優(yōu)。在座艙加溫的工況下，標準有效溫度值為16.3 ℃，舒適性較差。另外，整個標準有效溫度值計算結(jié)果偏低，這是因為客艙環(huán)境中濕度相對較低導致的。

參考文獻

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

〔編輯：白潔〕