基于狹縫湍射流多尺度特征研究的機(jī)艙條縫送風(fēng)口內(nèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

葛文濤, 郭 勇, 代 申, 姜 楠，*, 劉俊杰

(1. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300072; 2. 天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300072)

基于狹縫湍射流多尺度特征研究的機(jī)艙條縫送風(fēng)口內(nèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

葛文濤1, 郭 勇1, 代 申2, 姜 楠1，*, 劉俊杰2

(1. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300072; 2. 天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300072)

針對(duì)MD-82真實(shí)客機(jī)座艙內(nèi)現(xiàn)有的壁面條縫型送風(fēng)口流場(chǎng)平均流速沿座艙軸向分布的不均勻性，提出了一種送風(fēng)口條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使條縫型送風(fēng)口處氣流混合更加均勻，湍流發(fā)展更充分，平均流速沿座艙軸向分布更加均勻。并利用熱線測(cè)速技術(shù)，精細(xì)測(cè)量條縫型送風(fēng)口流場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。從吹風(fēng)感舒適性要求出發(fā)，利用子波分析，對(duì)條縫型送風(fēng)口流場(chǎng)不同位置的瞬時(shí)速度時(shí)間序列信號(hào)作多尺度湍渦成分分析。結(jié)果表明：加裝了條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫送風(fēng)口流場(chǎng)的氣流脈動(dòng)特征頻率始終維持在21.83Hz左右，而導(dǎo)致人最不舒適的空氣速度脈動(dòng)頻率為0.2～0.6Hz，從而證實(shí)加裝了條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫送風(fēng)口流場(chǎng)的氣流提高了人體感覺(jué)的舒適性。

機(jī)艙；內(nèi)結(jié)構(gòu)；條縫射流；熱線測(cè)速；子波變換

0 引 言

我國(guó)作為世界航空大國(guó)，自主研發(fā)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)一直是我們追求的目標(biāo)。創(chuàng)造高能效、健康和舒適的飛機(jī)客艙環(huán)境是國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)能在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地的重要保障。在封閉的客艙環(huán)境中，條縫型送風(fēng)口具有更新艙內(nèi)空氣、保證艙內(nèi)空氣質(zhì)量和改善艙內(nèi)熱舒適性的作用。條縫型送風(fēng)口的出流屬于典型的多狹縫射流，該形式是射流中比較復(fù)雜的一種[1]。因此，開(kāi)展以客機(jī)機(jī)艙環(huán)境為背景的多狹縫送風(fēng)口湍射流的實(shí)驗(yàn)研究具有重要意義[2]。

評(píng)判環(huán)境舒適度的依據(jù)有很多，其中吹風(fēng)感是一個(gè)比較重要的指標(biāo)。目前世界上對(duì)于吹風(fēng)感的研究主要分為2大方向，一方面，以Fanger等人提出的PD模型以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的吹風(fēng)感預(yù)測(cè)模型為理論依據(jù)的舒適度研究[3-5]。由于該理論是以PD預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，所以主觀性較強(qiáng)。另一方面就是通過(guò)控制和調(diào)整氣流運(yùn)動(dòng)的參數(shù)特性，提高感官舒適度。該研究方向主要側(cè)重于對(duì)環(huán)境流場(chǎng)及氣流組織特性進(jìn)行研究，包括氣流速度、溫度、濕度和湍流度等主要流場(chǎng)參數(shù)。1977年Fanger和Pedersen得出空氣速度的脈動(dòng)頻率在0.3～0.5Hz會(huì)引起最強(qiáng)的不舒適性[6]。1988年Fanger等人指出，湍流強(qiáng)度越大，吹風(fēng)感越明顯。相關(guān)文獻(xiàn)又表明，過(guò)低的湍流度也會(huì)讓人有不舒適感。然而對(duì)于流場(chǎng)對(duì)舒適度影響的研究還不夠深入，僅僅止步于速度和湍流度等簡(jiǎn)單的影響參數(shù)。湍流場(chǎng)是一個(gè)含有多尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜流場(chǎng)，因此本文首次引入多尺度的概念對(duì)氣流組織對(duì)人體吹風(fēng)感影響的過(guò)程進(jìn)行分析研究。

從流體動(dòng)力學(xué)的角度，速度場(chǎng)屬于主動(dòng)量，速度場(chǎng)的分布決定了溫度、濃度和濕度等被動(dòng)舒適性指標(biāo)在空間的分布和對(duì)流輸運(yùn)。因此，針對(duì)MD-82真實(shí)客機(jī)座艙內(nèi)現(xiàn)有的壁面條縫型送風(fēng)口流場(chǎng)平均流速沿座艙軸向分布的不均勻性，提出了一種送風(fēng)口條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使條縫型送風(fēng)口處氣流混合更加均勻，湍流發(fā)展更充分，平均流速沿座艙軸向分布更

加均勻。并利用熱線測(cè)速技術(shù)，精細(xì)測(cè)量了客機(jī)座艙模型中條縫型送風(fēng)口的射流流場(chǎng)，并采用子波分析[7-8]對(duì)測(cè)得的條縫型送風(fēng)口流場(chǎng)進(jìn)行多尺度湍渦成分分析，分析不同尺度湍渦結(jié)構(gòu)的能量分布規(guī)律及能量傳遞規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的對(duì)象是客機(jī)座艙模型中條縫型送風(fēng)口射流流場(chǎng)，采用的儀器包括IFA-300恒溫式熱線風(fēng)速儀、1128A型熱線探針校準(zhǔn)器和三維步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)架。IFA-300恒溫式熱線風(fēng)速儀(簡(jiǎn)稱HWA)是一種由計(jì)算機(jī)控制、具有自動(dòng)頻率最佳化功能的熱線風(fēng)速儀，能夠連續(xù)感受流動(dòng)速度并自動(dòng)調(diào)整動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)最佳化頻率響應(yīng)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量流場(chǎng)的速度脈動(dòng)信號(hào)。它的頻率響應(yīng)快，范圍寬，最高能達(dá)到700kHz，因此能夠分辨出低速湍流中最小尺度的湍渦結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中，三維步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)架由電腦控制移動(dòng)步長(zhǎng)，精度達(dá)到了0.01mm。實(shí)驗(yàn)中，機(jī)艙環(huán)境的溫度始終維持在26℃。

如圖1所示，條縫型送風(fēng)口模型全長(zhǎng)為2.3m，寬0.345m，高0.145m，條縫所在平面與水平成60°角。整個(gè)送風(fēng)口模型共有105個(gè)緊鄰的細(xì)長(zhǎng)條縫，每個(gè)細(xì)長(zhǎng)條縫長(zhǎng)50mm，寬3.5mm，相鄰細(xì)長(zhǎng)條縫的間距也為3.5mm，即格柵的寬度為3.5mm。簡(jiǎn)化機(jī)艙模型中送風(fēng)口一側(cè)接鼓風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)定常向管道內(nèi)供氣，管道來(lái)流速度為5.15m/s，雷諾數(shù)為12 980，管道流量為93.15m3/h。本次實(shí)驗(yàn)中，熱線風(fēng)速儀的的采樣頻率為100 000Hz，每個(gè)空間測(cè)點(diǎn)采樣時(shí)間為41 943s，測(cè)速樣本數(shù)據(jù)量共計(jì)為4 194 304。

本實(shí)驗(yàn)分為2大組，包括：CASE 1，加裝了實(shí)際客艙現(xiàn)有的圓孔形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫型送風(fēng)口(1∶1的MD-82真實(shí)客機(jī)座艙內(nèi)的送風(fēng)口內(nèi)結(jié)構(gòu)模型)；CASE 2，加裝了細(xì)長(zhǎng)條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫型送風(fēng)口。

根據(jù)不同工況下分別測(cè)量沿流向(x軸)的衰減速度場(chǎng)和沿展向(z軸)的速度場(chǎng)分布(見(jiàn)圖1(b))。

圖1 條縫型送風(fēng)口模型(圖(a)為實(shí)物圖,圖(b)為示意圖)

Fig.1 The slot outlet model(figure(a) is the picture and the figure (b) is the schematic diagram)

圖2 條縫型送風(fēng)口氣流運(yùn)動(dòng)示意圖

(1) 實(shí)驗(yàn)一：測(cè)量展向平均速度分布。在距離條縫5mm處的平面上，起始點(diǎn)正對(duì)條縫中心，設(shè)置步長(zhǎng)1mm，沿展向移動(dòng)測(cè)量10個(gè)條縫格柵周期長(zhǎng)度，測(cè)得70個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均速度分布。

(2) 實(shí)驗(yàn)二：測(cè)量流向平均速度衰減規(guī)律。分別正對(duì)條縫中心和格柵中心沿流向移動(dòng)測(cè)量，起始位置距離條縫所在平面5mm，起始步長(zhǎng)為5mm，測(cè)量11個(gè)點(diǎn)(至55mm處)，之后加大步長(zhǎng)至20mm，測(cè)量至距離條縫所在面175mm處。

內(nèi)結(jié)構(gòu)安裝在條縫送風(fēng)口穩(wěn)壓箱內(nèi)部，本實(shí)驗(yàn)采用2種圓管型內(nèi)結(jié)構(gòu)，圓孔芯內(nèi)結(jié)構(gòu)和條縫芯內(nèi)結(jié)構(gòu)。如圖3所示，圓孔形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)小孔直徑為9mm，共27個(gè)小孔，相鄰圓孔的間距為17mm；條縫芯內(nèi)結(jié)構(gòu)條縫長(zhǎng)575mm，寬3mm。這樣的方式保證了不同內(nèi)結(jié)構(gòu)的出氣面積相同。加裝內(nèi)結(jié)構(gòu)后，鼓風(fēng)機(jī)提供的氣流首先進(jìn)入內(nèi)管，從內(nèi)管開(kāi)口處射出后再由條縫型送風(fēng)口進(jìn)出機(jī)艙模型。

圖3 不同內(nèi)結(jié)構(gòu)模型示意圖(圖(a)為圓孔形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)，圖(b)為條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu))

Fig.3 The schematic diagram of the model with different inner-structures(figure (a) represents circular core inner-structure and figure (b) represents slit shaped core inner-structure)

2 HWA測(cè)量結(jié)果分析

圖4是在距離條縫5mm處的平面上，起始點(diǎn)正對(duì)條縫中心，沿展向移動(dòng)測(cè)量的10個(gè)條縫周期(1個(gè)周期指從某一條縫中心到相鄰的條縫中心的距離)。從圖中可以看出，2個(gè)流場(chǎng)都具有明顯的周期性，且周期與條縫的距離周期相同。同時(shí)，加裝了圓孔形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4(a))的流場(chǎng)還受內(nèi)結(jié)構(gòu)上圓孔周期性分布的影響，在展向上表現(xiàn)的并不均勻。而圖4(b)條縫形內(nèi)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)口射流平均流場(chǎng)在展向上分布的均勻性要好很多。

圖4 不同內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫型風(fēng)口沿展向的速度場(chǎng)分布對(duì)比圖

Fig.4 The span-wise velocity field distribution contrast figure of the slot-jet with different inner structures

圖5是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的2種不同工況下，即安裝不同內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫送風(fēng)口流場(chǎng)中流向上17個(gè)位置的平均速度繪制成的從距離出風(fēng)口平面5mm處一直到175mm處的平均速度衰減圖。從圖中可以看出，在近壁區(qū)，CASE 2的流場(chǎng)速度明顯比CASE 1的流場(chǎng)速度大，這說(shuō)明在出風(fēng)面積相同時(shí)，加裝條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的送風(fēng)口送風(fēng)效果更好。在到達(dá)距出風(fēng)口平面50mm左右處，氣流平均速度已經(jīng)衰減到0.3m/s，低于吹風(fēng)感容許的最大吹風(fēng)速度[9-10]。說(shuō)明加裝了條縫形芯(即CASE 2)的條縫型出風(fēng)口處流場(chǎng)的衰減率更快。所以，優(yōu)化后的條縫形芯的內(nèi)結(jié)構(gòu)在保證送風(fēng)量的同時(shí)滿足對(duì)流向速度衰減率大小的要求。

Fig.5 The mean stream-wise velocity field attenuation contrast figure of the slot-jet with different inner structures

圖6是2種工況下，對(duì)距離出口5mm處流向脈動(dòng)速度時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行連續(xù)子波分析所獲得脈動(dòng)速度多尺度成分等值線分布圖?？梢院芮逦乜闯觯友b了條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)主要分布在6～8尺度，明顯小于圓孔形型芯的工況的7～10尺度，即加裝了條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的湍流場(chǎng)衰減更快，湍渦尺度更小，頻率更高。說(shuō)明條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)達(dá)到了減小湍渦尺度，降低吹風(fēng)感，提高舒適性的目的。

在2種工況下，沿流向中心線上的17個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用離散子波分析，將其分成22個(gè)尺度，并根據(jù)能量最大準(zhǔn)則[11]，分析不同尺度的湍渦的能量在總湍動(dòng)能中所占的比重(見(jiàn)圖7)。從圖中可以看出，在距離風(fēng)口5mm的位置，CASE 1的主要含能尺度主要集中在12尺度上，對(duì)應(yīng)頻率21.83Hz。在距離送風(fēng)口35mm的位置，CASE 1的主要含能尺度變得更大，主要集中在14尺度上，對(duì)應(yīng)頻率5.48 Hz。CASE 2在距離風(fēng)口5mm的位置，高頻小尺度渦的含量明顯增多，湍動(dòng)能主要積聚在第7尺度，對(duì)應(yīng)的頻率為595.23Hz。在距離送風(fēng)口35mm的位置，CASE 2的湍動(dòng)能主要積聚在代表大尺度湍渦的第12尺度，對(duì)應(yīng)頻率21.83Hz。所以加裝條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)口使湍渦尺度變小了大約4倍，從而降低了吹風(fēng)感，提高了舒適性。

圖6 不同工況下距離風(fēng)口5mm處脈動(dòng)速度多尺度成分等值線圖

Fig.6 The contour of the velocity proportion of different scale eddies for different cases at 5mm downstream of the slot

圖7 不同工況下不同測(cè)點(diǎn)位置的不同尺度的湍渦的能量占總湍動(dòng)能的分布圖

Fig.7 The energy proportion of different scale eddies at different positions for different cases

從不同流向位置的能量隨尺度分布(見(jiàn)圖7)可以看出，越往下游，一方面，由于流體分子黏性的耗散作用，射流場(chǎng)總的湍動(dòng)能大量被耗散掉，導(dǎo)致射流場(chǎng)總的湍動(dòng)能隨著往下游發(fā)展逐漸減少。另一方面，隨著射流場(chǎng)對(duì)周?chē)h(huán)境靜止氣體的剪切卷吸效應(yīng)，將周?chē)鲌?chǎng)中越來(lái)越多靜止的流體卷吸進(jìn)來(lái)；射流帶動(dòng)的周?chē)o止流體質(zhì)量越來(lái)越多，單位質(zhì)量的流體擁有的動(dòng)量和動(dòng)能越來(lái)越少，導(dǎo)致流體黏性的作用相對(duì)變大，慣性作用逐漸減弱；一部分小尺度湍渦在黏性的作用下又卷并成為低速、低動(dòng)能的大尺度湍渦，使湍流場(chǎng)中的低頻大尺度渦的成分含量相對(duì)增多，高頻小尺度渦的含量相對(duì)減少；這是湍流發(fā)展過(guò)程中的逆級(jí)串現(xiàn)象，這部分大尺度湍渦的形成對(duì)機(jī)艙內(nèi)熱量的傳遞和污染物的輸運(yùn)擴(kuò)散產(chǎn)生重要影響。低速、低動(dòng)能的大尺度湍渦隨后再次破碎成小尺度湍渦后，湍流才逐漸被耗散，湍流這種雙向的級(jí)串現(xiàn)象，表明在湍流發(fā)展演化過(guò)程的不同階段，正向和負(fù)向的級(jí)串過(guò)程交替占有主導(dǎo)地位，體現(xiàn)了湍流發(fā)展演化過(guò)程的復(fù)雜性。

圖8是對(duì)距離送風(fēng)口35mm處流向脈動(dòng)速度時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行連續(xù)子波分析，獲得脈動(dòng)速度多尺度成分等值線分布圖。也可以看到隨著多狹縫射流向下游的演化，湍流場(chǎng)中的低頻大尺度渦的成分含量相對(duì)增多，高頻小尺度渦的含量相對(duì)減少的湍流逆級(jí)串現(xiàn)象。圓孔形型芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的湍流場(chǎng)由于逆級(jí)串過(guò)程，湍渦主要分布在14尺度，對(duì)應(yīng)頻率5.48Hz。而加裝條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的湍流場(chǎng)湍渦主要分布在12尺度，對(duì)應(yīng)頻率21.83Hz。所以加裝條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)口達(dá)到了使湍渦尺度變小、降低吹風(fēng)感和提高舒適性的目的。

客艙湍流脈動(dòng)頻率特征是影響客艙舒適性的因素之一。因此，對(duì)于加裝了條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步分析。圖9給出了加裝條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)客艙條縫風(fēng)口各流向位置起主要作用的湍渦尺度(見(jiàn)圖7)對(duì)應(yīng)的特征頻率。從圖9可以看出，在距離出風(fēng)口5mm處能量最大的尺度是第7尺度，對(duì)應(yīng)的頻率為595.23Hz；距離出風(fēng)口10mm處能量最大的尺度是第8尺度，對(duì)應(yīng)的頻率為297.62Hz；距離出風(fēng)口15mm處能量最大的尺度是第10尺度，對(duì)應(yīng)的頻率為74.4Hz；距離出風(fēng)口20～30mm處能量最大的尺度是第11尺度，對(duì)應(yīng)的頻率為43.668Hz；從距離出風(fēng)口35mm直到人頭部所在的位置，能量都是主要集中在第12尺度，對(duì)應(yīng)的頻率為21.83Hz。

圖8 不同工況下距離風(fēng)口35mm處脈動(dòng)速度多尺度成分等值線圖

Fig.8 The contour of the velocity proportion of different scale eddies for different cases at 35mm downstream of slot

圖9 CASE 2不同流向測(cè)點(diǎn)的起主要作用的尺度對(duì)應(yīng)的特征頻率

Fig.9 The characteristic frequency of the corresponding scale who dominants in the process at different stream-wise points in CASE 2

空氣速度波動(dòng)頻率為0.2～0.6Hz會(huì)引起最強(qiáng)的不舒適。本實(shí)驗(yàn)中，客艙條縫風(fēng)口測(cè)得的各湍渦尺度的特征頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)范圍，所以從主要尺度的湍渦特征頻率來(lái)看，加裝條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫送風(fēng)口氣流提高了人體的吹風(fēng)舒適性。

實(shí)驗(yàn)誤差的來(lái)源是多方面的，如鼓風(fēng)機(jī)的不穩(wěn)定、熱線探針的定位誤差以及標(biāo)定過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。本次實(shí)驗(yàn)中鼓風(fēng)機(jī)的流量波動(dòng)范圍不超過(guò)±2.5%。三位自動(dòng)坐標(biāo)架的精度為0.01mm，因此定位誤差不超過(guò)0.01mm。熱線標(biāo)定工作在TSI-1127型射流校準(zhǔn)器上完成，該校準(zhǔn)器在圓形出口處形成穩(wěn)定的射流，將探針?lè)庞谠撋淞骱诵膮^(qū)內(nèi)，通過(guò)壓力傳感器記錄其速度值。在利用四次多項(xiàng)式擬合電壓-速度關(guān)系，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)表其標(biāo)定誤差不超過(guò)2%。

3 結(jié) 論

本文利用熱線測(cè)速技術(shù)，以高于湍流場(chǎng)最小時(shí)間尺度(Kolmogorov時(shí)間尺度，耗散時(shí)間尺度)的分辨率，精細(xì)測(cè)量客艙模型中加裝不同內(nèi)結(jié)構(gòu)的條縫送風(fēng)口射流流場(chǎng)，并從舒適度要求出發(fā)，利用子波分析，對(duì)瞬時(shí)多狹縫湍射流場(chǎng)作進(jìn)一步的多尺度湍渦成分分析。得出以下結(jié)論：

(1) 湍流場(chǎng)中不同尺度湍渦的能量在總湍動(dòng)能中所占的比重是不同的，越往下游發(fā)展，隨著射流場(chǎng)對(duì)周?chē)鷼怏w的卷吸效應(yīng)，湍流場(chǎng)中的低頻大尺度湍渦的成分含量增多，高頻小尺度湍渦的含量減少。這是低局部雷諾數(shù)湍射流與高雷諾數(shù)湍射流物理機(jī)理上的差異，遠(yuǎn)場(chǎng)的低頻大尺度湍渦結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)艙內(nèi)熱量的傳遞和污染物的擴(kuò)散有重要作用；

(2) 客艙條縫風(fēng)口各流向位置起主要作用的湍渦尺度的特征頻率隨著湍射流的發(fā)展逐漸降低。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從距離出風(fēng)口平面35mm處開(kāi)始，加裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的條縫出風(fēng)口流場(chǎng)的氣流特征頻率始終維持在21.83Hz左右，而導(dǎo)致人最不舒適的空氣速度波動(dòng)頻率為0.2～0.6Hz。因此，本結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的;

(3) 條縫形芯內(nèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大幅度改善了條縫出風(fēng)口處流場(chǎng)的周期性以及速度分布的一致性。使得氣流與環(huán)境流體混合更加均勻，湍流發(fā)展更充分，達(dá)到降低吹風(fēng)感，提高舒適性的要求。

[1] 董志勇. 射流力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005: 98-112.

Dong Zhiyong. Jet Mechanics[M]. Beijing: Science Press, 2005: 98-112.

[2] 徐驚雷, 沙江, 林春峰, 等. 不同狹縫厚度的零質(zhì)量射流PIV實(shí)驗(yàn)研究[J]. 推進(jìn)技術(shù), 2007, 28(2): 162-166.

Xu Jinglei, Sha Jiang, Lin Chunfeng, et al. Experimental study on orifice depths effect for synthetic jet with particle image velocimetry[J]. Journal of Propulsion Technology, 2007, 28(2): 162-166.

[3] Fanger P O, Melikov A K , Hanzawa A K, et al. Air turbulence and sensation of draught[J]. Energy and Buildings, 1988, 12: 21-39.

[4] Barbara Griefahn, Christa Kunemund, Ulrike Gehring. Evaluation of draught in the workplace[J]. Ergonomics, 2002, 45(2): 124-135.

[5] Marc Fountain, Edward Arens, Richard de Dear, et a1. Locally controlled air movement preferred in warm isothermal environment[J]. ASHRAE Transactions, 1994, 100(2): 937-952.

[6] Fanger P O, Pedersen C J K. Discomfort due to air velocities in spaces[C]. The Meeting of Commissions B1, B2, E1 and the IIR, 1997: 289-296.

[7] 姜楠. 子波變換在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)中的應(yīng)用[J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量, 1997, 11(1): 12-19.

Jiang Nan. Wavelet transform application to experimental fluid mechanics[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 1997, 11(1): 12-19.

[8] 舒瑋, 姜楠. 湍流中渦的尺度分析[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 18(S1): 89-95.

Shu Wei, Jiang Nan. Scale analysis of theeddy in turbulent[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2000, 18(S1): 89-95.

[9] ASHRAE. Thermal environmental conditions forhuman occupancy(ASH-RAE Standard 55-2004)[S]. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air Condition Engineering, 2004.

[10] ISO. Ergonomics of the Thermal Environment Analytical Determination and Interpretation of Thermal Comfort Using Calculation of the PMV and PPD Indicesand Local Thermal Comfort Criteria(ISO7730: 2005)[S]. Geneva: InternationalOrganization for Standardization, 2005.

[11] 姜楠, 王振東, 舒瑋. 子波分折辨識(shí)壁湍流猝發(fā)事件的能量最大準(zhǔn)則[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 29(4): 406-412.

Jiang Nan, Wang Zhendong, Shu Wei. Maximum energy criterion for identifying burst events in wall turbulence usingwavelet analysis[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 1997, 29(4): 406-412.

(編輯：楊 娟)

Optimization design of inner-structure of the slot-jet in aircraft cabin based on investigation of multi-scale characteristics of slot turbulent jet flow

Ge Wentao1, Guo Yong1, Dai Shen2, Jiang Nan1，*, Liu Junjie2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to solve the distribution heterogeneity problem of the mean span-wise velocity field of the slot outlet in MD-82 airliner cabin,we designed the slit-shaped inner core structure in order to make the final mixture of the slot flow more uniform, the development of the turbulence is more sufficient and the distribution of the mean stream-wise velocity field is more homogeneous. Hot-wire anemometry is used in the simplified cabin model experiments, based on which the research is carried out on the optimization design of inner structures of the slot-jet in aircraft cabin and the multiscale characteristic analysis of the turbulence. The slot-jet flow fields in model cabin environment with different inner-structure are finely measured by constant-temperature anemometry system.The resolution of the constant-temperature anemometry system is higher than the smallest time-scale of turbulence (inner structure and dissipation time-scale). The actual velocity field is analyzed in the stream-wise direction and normal direction respectively. Furthermore, based on the comfort theory, the wavelet-transformations are applied for the characteristic analysis of the multi-scales eddy and the analysis of the distribution of energy. The variation of the mean velocity beyond the slot outlets reveals the decaying regularity of the velocity in the stream-wise direction and the flow irregularity in the normal direction. Results from the wavelet transformation analysis indicate that the change of energy proportion of different scale eddies is connected with the evolution of the slot-jet flow field. It can be seen from the results that small scale vortices generate entrainment and merge into large scale vortices on account of the increase of the viscosity and the decrease of the inertness in the far field of the turbulence jet flow field, which is called inverse energy cascade. It has a significant impact on the thermal transmission and the diffusion of contaminant.It’s the main reason of the draft sensation discomfort. By the contrast experiments, the slit-shaped core inner structure is designed so that the final mixture of the slot flow is more uniform and the development of the turbulence is more sufficient. From the perspective of comfort analysis on the flow fluctuation frequency, the flow characteristic frequency of the flow field beyond the outlet with the designed core structure has remained to be about 21.83Hz, while the air fluctuation frequency which results in highest discomfort is 0.2～0.6Hz. Therefore the design is worked.

aircraft cabin;inner-structure;slot-jet;hot-wire anemometry;wavelet transform

1672-9897(2015)05-0032-06

10.11729/syltlx20140151

2014-12-29;

2015-04-21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目大型客機(jī)座艙內(nèi)空氣環(huán)境控制的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究(NO.2012CB720101、NO.2012CB720103);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272233、11332006、11411130150)

GeWT,GuoY,DaiS,etal.Optimizationdesignofinner-structureoftheslot-jetinaircraftcabinbasedoninvestigationofmulti-scalecharacteristicsofslotturbulentjetflow.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(5): 32-37. 葛文濤, 郭 勇, 代 申, 等. 基于狹縫湍射流多尺度特征研究的機(jī)艙條縫送風(fēng)口內(nèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì). 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(5): 32-37.

V223+.2;O358

A

葛文濤(1989-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生。研究方向：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)。通信地址：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院力學(xué)系流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室天津大學(xué)北洋科學(xué)樓102(300072)。E-mail:gwt385990242@163.com

*通信作者 E-mail: nanj@tju.edu.cn