考慮污染物傳播規(guī)律的飛機(jī)座艙送風(fēng)方式研究

陳希遠(yuǎn)，王振斌，馬博文，楊建忠

1. 中國民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300 2. 中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300

飛機(jī)座艙內(nèi)人員密集，幾何形狀復(fù)雜，且是一個(gè)半封閉的空間，座艙內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理將會(huì)導(dǎo)致污染物在座艙內(nèi)部傳播擴(kuò)散。座艙內(nèi)污染物來源多樣，其位置也有所不同，如可能由發(fā)動(dòng)機(jī)滑油泄漏揮發(fā)產(chǎn)生的引氣污染物、座艙內(nèi)飾材料釋放的污染物及各類VOC(Volatile Organic Compounds)等化學(xué)氣體，其中艙內(nèi)氣態(tài)污染物會(huì)對(duì)乘客健康產(chǎn)生不利影響，近年來已受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-2]。在飛行過程中，環(huán)控系統(tǒng)通過引入并調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣為乘客營造良好的乘坐環(huán)境，然而，為提高飛機(jī)整體經(jīng)濟(jì)性，座艙內(nèi)通風(fēng)量不能無限增加，因此，額定通風(fēng)量下如何減少和消除座艙內(nèi)氣態(tài)污染物對(duì)航空業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外研究人員針對(duì)飛機(jī)座艙內(nèi)污染物傳播展開了大量研究，包括艙內(nèi)污染源位置對(duì)污染物傳播的影響[3-5]，送風(fēng)量對(duì)于座艙內(nèi)排污效率的影響研究[6-7]，不同氣流組織對(duì)座艙內(nèi)污染物分布的影響[8-10]等等。研究結(jié)果表明，座艙內(nèi)流場具有低雷諾數(shù)高湍流度特征，送風(fēng)邊界、艙內(nèi)空間微小幾何位置的變化就會(huì)引起污染物傳播規(guī)律迥異。林家泉等的研究表明增加通風(fēng)量能改善座艙內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，降低艙內(nèi)污染物濃度[11]。但Wang等研究表明通風(fēng)量增加到一定值后座艙內(nèi)通風(fēng)效果將不再有明顯改善[6]?？梢娫谟邢匏惋L(fēng)量下研究不同送風(fēng)方式對(duì)座艙環(huán)境的影響更具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以飛機(jī)座艙內(nèi)氣態(tài)污染物為研究對(duì)象，研究座艙送風(fēng)方式對(duì)該污染物傳播規(guī)律的影響。

就研究方法而言，實(shí)驗(yàn)測量能夠提供可靠結(jié)果，但其成本高、實(shí)驗(yàn)周期長、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較差，而模擬計(jì)算成本低、限制條件少，在邊界條件準(zhǔn)確的情況下可以獲得較好的預(yù)測結(jié)果，目前很多工程問題能通過模擬計(jì)算得到解決，因此該方法在座艙環(huán)境的研究中也得到廣泛應(yīng)用[12]。

綜上所述，本文首先建立5排座艙CFD數(shù)值模型，結(jié)合粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry, PIV)技術(shù)對(duì)艙內(nèi)速度場進(jìn)行驗(yàn)證，保證模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，綜合CFD計(jì)算和模擬艙實(shí)驗(yàn)的方法研究比較飛機(jī)中普遍采用的天花板和天花板+側(cè)壁送風(fēng)兩種工況下的座艙多污染源位置的污染物擴(kuò)散規(guī)律，并以空氣齡作為評(píng)價(jià)指標(biāo)得出座艙內(nèi)更優(yōu)的送風(fēng)方式，為減少和消除飛機(jī)座艙內(nèi)氣態(tài)污染物傳播提供參考和依據(jù)。

1 研究方法

飛機(jī)座艙典型的送風(fēng)方式是上送下回式。對(duì)于不同污染源位置及送風(fēng)方式，污染物在座艙內(nèi)的傳播分布規(guī)律會(huì)呈現(xiàn)出顯著差異，研究座艙內(nèi)污染物傳播機(jī)理需全面考慮各影響因素。因此，本文采用CFD技術(shù)全面把握客艙內(nèi)污染物分布信息，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測量研究飛機(jī)座艙內(nèi)送風(fēng)方式對(duì)污染物傳播規(guī)律的影響。

1.1 飛機(jī)座艙模型

基于Boeing737-200建立等比例5排模擬座艙，見圖1，模擬艙架構(gòu)及工作原理見文獻(xiàn)[13]。文獻(xiàn)[14]研究表明5排座艙模型能夠得到較合理的計(jì)算結(jié)果，本文依照5排模擬艙建立的座艙數(shù)值模型如圖2所示，座艙內(nèi)部幾何尺寸為4.8 m×3.8 m×2.1 m(長×寬×高)，艙內(nèi)每排布置有6個(gè)座位，以中間過道為界，左右對(duì)稱分布，過道寬度為0.5 m。座艙內(nèi)有側(cè)壁和天花板送風(fēng)口，在座艙兩側(cè)底部有排風(fēng)口?？紤]到幾何及邊界的對(duì)稱性，以右半艙為研究對(duì)象，污染源位于座艙內(nèi)第3排各位置呼吸區(qū)域，采用天花板和天花板+側(cè)壁兩種送風(fēng)方式，分別在不同污染源位置以一定流量釋放CO2。

圖1 5排模擬座艙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experiment platform of five-row cabin mockup

采用ICEM軟件將整個(gè)流體域劃分為600萬的網(wǎng)格區(qū)域。如圖3 所示，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，該網(wǎng)格能夠很好地適應(yīng)并計(jì)算飛機(jī)座艙內(nèi)的流場特性。為了確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，送風(fēng)口附近及靠近座艙壁面區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格最小尺寸為2 mm。

圖2 座艙數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of cabin

圖3 座艙模型網(wǎng)格Fig.3 Grids of cabin model

1.2 數(shù)值模型

Li[15]和Ebrahimi[16]等的研究均認(rèn)為在飛機(jī)座艙使用雷諾時(shí)均Navier-Stokes(RANS)方程RNG (Re-Normalisation Group)k-ε模型可以得到合理的計(jì)算結(jié)果，因此本文采用RNGk-ε湍流模型。

連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及組分方程均可以用統(tǒng)一的方式表達(dá)，即

(1)

1.3 邊界條件設(shè)定

數(shù)值計(jì)算邊界條件如表1所示，天花板送風(fēng)時(shí)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為3 m/s；天花板+側(cè)壁送風(fēng)時(shí)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為1.3 m/s(天花板進(jìn)風(fēng)口)和2.5 m/s(側(cè)壁進(jìn)風(fēng)口)；出風(fēng)口采用了Outflow邊界條件，即出口處的流動(dòng)為全發(fā)展。為了消除艙內(nèi)乘客散熱產(chǎn)生的自然對(duì)流對(duì)流場及氣態(tài)污染物傳播的影響，應(yīng)盡量縮小送風(fēng)溫度與乘客表面溫度的溫差[17]，因此最終將座艙送風(fēng)溫度設(shè)置為28 ℃。其中不同送風(fēng)方式下進(jìn)風(fēng)入口的風(fēng)速及CO2氣體濃度均為實(shí)驗(yàn)測量所得，污染源處釋放100%的CO2氣體，釋放速率為4.5 L/min[6]。

表1 數(shù)值計(jì)算邊界條件Table 1 Boundary conditions of numerical calculation

1.4 模型驗(yàn)證

建立數(shù)值模型后首先要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證中CFD采用和實(shí)驗(yàn)工況相同的邊界條件：采用天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式，送風(fēng)量為1 050 m3/h，即9.4 L/(人·s)[18]，污染源位于右半艙第3排靠近過道座位乘客呼吸區(qū)位置，CO2氣體釋放速率為4.5 L/min。采用紅外光聲譜氣體檢測儀(INNOVA 1412i)對(duì)座艙內(nèi)氣態(tài)污染物濃度進(jìn)行測量，其中氣體濃度檢測精度為0.001 mg/m3。流場測量采用大功率2D-PIV測量系統(tǒng)，系統(tǒng)由Vlite380脈沖固體激光器和16 M像素CCD相機(jī)組成，單次測量截面面積為900 mm×600 mm，數(shù)據(jù)軟件為TSI公司的INSIGHT 4G系統(tǒng)，速度測量精度為10-5m/s，系統(tǒng)誤差在1%左右。分別測量了右半艙中間3排座位所對(duì)應(yīng)呼吸區(qū)域位置的CO2濃度(見圖2中各點(diǎn))，為方便起見對(duì)污染源及各測量點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，如圖4所示。利用PIV測速系統(tǒng)測量了圖2所示綠色區(qū)域的氣流場。對(duì)實(shí)驗(yàn)測量值與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖5。

圖5(a)中實(shí)線為CFD模型中污染物濃度模擬計(jì)算值，離散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測量值，圖中測量點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)圖4中測量點(diǎn)位置1～9。由圖5(a)可以看出，實(shí)驗(yàn)值與模擬計(jì)算值在總體趨勢(shì)上呈現(xiàn)出一致性，兩者數(shù)值之間存在一定差異，圖中除最靠近污染源的兩個(gè)點(diǎn)之外，其余各點(diǎn)處實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)差值均在15%以內(nèi)，在靠近污染源的位置污染物濃度值存在明顯差異，這主要是由于該位置處仿真模型中污染物濃度高造成的，同時(shí)可能由于實(shí)際所釋放的100%CO2氣體與空氣密度存在差異，有一定重力沉降現(xiàn)象，導(dǎo)致在位置4與位置5處仿真值與實(shí)際測量值濃度偏差較大。對(duì)于氣流場，使用PIV粒子圖像測速系統(tǒng)對(duì)兩種送風(fēng)方式下座艙橫截面速度場進(jìn)行測量，由圖5(b)可以看出測量結(jié)果與仿真結(jié)果的氣流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致，由天花板和側(cè)壁送風(fēng)口噴出的氣流逐漸從自由射流轉(zhuǎn)變?yōu)楸诿嫔淞?，在行李架位置處匯合后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最終在過道處碰撞，形成了兩個(gè)渦。在遠(yuǎn)離射流區(qū)，速度方向存在一定的差異，這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中，模擬座艙送風(fēng)邊界條件存在一定的不對(duì)稱性，從圖中紅色矢量箭頭也能看出實(shí)驗(yàn)所測得的氣流場總體是向右半艙偏移的，中間位置處形成的向下射流有明顯的向右擠壓的趨勢(shì)。而數(shù)值計(jì)算中幾何及送風(fēng)等邊界條件均是按照對(duì)稱設(shè)置的，因此與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異性。圖5(c)中天花板送風(fēng)下，橫截面速度場對(duì)稱性良好，CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。

圖4 氣體采樣點(diǎn)布置Fig.4 Arrangement of air sampling points

圖5 模型驗(yàn)證Fig.5 Validation of model

艙內(nèi)人員及熱源形成的羽流對(duì)艙內(nèi)送風(fēng)形成的強(qiáng)迫對(duì)流具有一定影響，尤其在飛機(jī)客艙內(nèi)人員區(qū)域確實(shí)存在混合對(duì)流，甚至以自然對(duì)流為主導(dǎo)的情形。劉俊杰等[17]開展了客艙內(nèi)自然對(duì)流運(yùn)動(dòng)對(duì)流場影響的實(shí)驗(yàn)研究，提出無量綱準(zhǔn)則數(shù)Ar(阿基米德數(shù))可直觀表示自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流的強(qiáng)弱比較，其表達(dá)式為

(2)

式中：Δt為人體表面溫度與周圍空氣溫度的差值；β=0.003為熱膨脹系數(shù)；L為特征尺寸，本文取乘客平均肩寬0.4 m；g為重力加速度；u為人體周圍當(dāng)?shù)仫L(fēng)速。Ar若達(dá)到或超過1，即意味著流動(dòng)中有強(qiáng)烈的熱浮力作用，反之，則流動(dòng)中熱浮力作用可以忽略[14]。式(2)中g(shù)、β、L均為定常值，影響Ar數(shù)值的主要參數(shù)是人體周圍當(dāng)?shù)貧饬魉俣萿和人體表面與周圍空氣的溫度差值Δt。根據(jù)本文測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)，得出在正常送風(fēng)量下人體周圍最小氣流速度值為0.25 m/s。本文主要關(guān)注送風(fēng)形式對(duì)氣態(tài)污染物傳播規(guī)律的影響，為消除乘客區(qū)自然對(duì)流對(duì)于流場的影響，應(yīng)盡量縮小Δt的數(shù)值。因此，實(shí)驗(yàn)和仿真中將座艙送風(fēng)溫度設(shè)定為28 ℃，采用三線式Pt100鉑電阻溫度傳感器(量程為-200～200 ℃，精度為±0.15 ℃)測量艙內(nèi)乘客區(qū)當(dāng)?shù)乜諝鉁囟龋禐?9 ℃，而乘客表面溫度通常為33.5 ℃[19]。經(jīng)計(jì)算，本文所采用的天花板和天花板+側(cè)壁兩種送風(fēng)形式下乘客區(qū)阿基米德數(shù)Ar分別為0.85和0.59，均小于1。綜上，本文研究中人體熱羽流對(duì)流場的影響可以忽略。

對(duì)于整個(gè)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比中的差異，還包括其他影響因素：仿真模型的簡化，實(shí)驗(yàn)測量過程人為因素等。但總體而言，流場及污染物分布一致性較好，且誤差在合理范圍之內(nèi)。因此，可以證明所建立數(shù)值模型是有效可靠的，該模型可用于座艙內(nèi)污染物擴(kuò)散規(guī)律的研究。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 污染物濃度橫向分布

圖6所示為兩種送風(fēng)方式下污染源分別位于第3排座艙不同位置處時(shí)污染物在橫截面內(nèi)的分布情況。從圖中可以看出送風(fēng)方式不同，橫截面內(nèi)氣流場特性差異明顯。對(duì)于天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式，由天花板和側(cè)壁出風(fēng)口的氣流均受到康恩達(dá)效應(yīng)影響[20]，氣流迅速向壁面貼附并沿壁面向座艙內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，在靠近過道位置處兩股氣流相遇形成較強(qiáng)氣流，因此靠近過道位置處氣流速度較大且是向地板運(yùn)動(dòng)的，順著過道中心向下運(yùn)動(dòng)的氣流沖擊地板后分為兩股氣流向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，其中部分氣流分別由左右側(cè)排風(fēng)口排出，剩余氣流則沿艙壁向上運(yùn)動(dòng)，最終在座艙左右兩側(cè)形成明顯的渦。而單獨(dú)的天花板送風(fēng)方式下氣流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式相反，氣流貼附行李架壁面向下運(yùn)動(dòng)，最終左右兩側(cè)的氣流在地板重心處匯合，在過道處形成向上運(yùn)動(dòng)的氣流，因此兩種送風(fēng)方式的氣流場中渦的旋轉(zhuǎn)方向是相反的。而氣流場的運(yùn)動(dòng)特性直接影響了艙內(nèi)污染物的擴(kuò)散規(guī)律，因此兩種送風(fēng)方式下污染物的分布存在明顯差異。

圖6 橫截面內(nèi)污染物濃度分布Fig.6 Distribution of contaminant concentration in cross-sections

當(dāng)污染源位于靠近艙壁的位置時(shí)，對(duì)于天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式，污染源正位于氣流所形成渦的邊緣且距離排氣口較近，污染物隨氣流沿渦的方向擴(kuò)散，這樣增加了污染物到達(dá)排氣口的路徑，最終污染物在整個(gè)橫截面內(nèi)乘客區(qū)域擴(kuò)散范圍較大。而對(duì)于單獨(dú)天花板送風(fēng)方式，由于氣流所形成渦的方向正好與前者相反，污染物隨氣流運(yùn)動(dòng)能夠短時(shí)間到達(dá)排風(fēng)口，因此污染物得以有效地排除，使得該位置污染物在橫截面內(nèi)乘客區(qū)域得到有效控制。污染源位于中間位置時(shí)，兩種送風(fēng)方式下污染物的分布均發(fā)生了明顯的變化，這主要是因?yàn)槲廴驹丛谒俣葓鲋兴幍奈恢冒l(fā)生了變化。天花板+側(cè)壁送風(fēng)下污染源靠近氣流渦的中心位置，旋渦的存在能夠加強(qiáng)流體內(nèi)不同位置之間的能量傳遞進(jìn)而促進(jìn)了污染物在渦旋范圍內(nèi)的擴(kuò)散，導(dǎo)致中間位置污染物在該送風(fēng)工況下形成大范圍的擴(kuò)散。而天花板送風(fēng)方式下氣流場所形

成的渦中心距離污染源的位置較遠(yuǎn)，因此并未導(dǎo)致該位置污染物大范圍地傳播。當(dāng)污染物位于靠近過道位置處時(shí)，兩種送風(fēng)方式在過道位置處均形成較強(qiáng)的氣流，且氣流以直線運(yùn)動(dòng)為主。天花板+側(cè)壁送風(fēng)下過道處氣流是向下運(yùn)動(dòng)的，污染源位于過道處直線運(yùn)動(dòng)氣體與座位處渦旋之間，部分污染物隨氣流向下擴(kuò)散，因此污染物高濃度區(qū)域形成長條形，同時(shí)有部分污染物在渦旋范圍內(nèi)擴(kuò)散。天花板送風(fēng)方式下過道位置處氣流向上運(yùn)動(dòng)，污染物靠近渦旋中心，且渦旋范圍較小，污染物有向上擴(kuò)散的趨勢(shì)，主要在渦旋范圍內(nèi)擴(kuò)散?？傮w而言，由于氣流組織的特性，天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式下污染物在座艙橫截面內(nèi)擴(kuò)散范圍更大一些，而天花板送風(fēng)方式下污染物容易在小范圍聚積。

2.2 污染物濃度縱向分布

圖7 所示為污染物在乘客呼吸區(qū)域高度處的水平截面內(nèi)分布情況，從圖中可以看出不同送風(fēng)方式下污染物在座艙內(nèi)整體分布存在差異。污染源在靠近艙壁位置時(shí)，側(cè)壁送風(fēng)口的氣流使污染物向座艙內(nèi)部擴(kuò)散，因此靠近過道位置處污染物濃度較高，而天花板送風(fēng)下污染物的排除效果明顯，在呼吸區(qū)域污染物濃度整體都比較低，值得注意的是天花板送風(fēng)下污染源位置處有污染物聚積現(xiàn)象。污染物位于中間位置時(shí)，天花板+側(cè)壁送風(fēng)下污染物的擴(kuò)散范圍是最大的，且整個(gè)范圍內(nèi)濃度較高，達(dá)到了1 000 mg/m3以上，但主要分布范圍是在污染源所在座位排。而天花板送風(fēng)下污染物存在縱向傳播，但分布的濃度值并不高。污染源在靠近過道位置時(shí)，可以看到天花板+側(cè)壁送風(fēng)下污染物仍存在較大范圍的擴(kuò)散，而天花板送風(fēng)方式下污染物以高濃度匯聚在呼吸區(qū)域，且污染物濃度高出前者40%?？傮w而言，天花板送風(fēng)方式下污染物在座艙內(nèi)存在較明顯的縱向傳播，這可能是由于在這種送風(fēng)方式下座艙中央形成較強(qiáng)的向上氣流從而阻隔了污染物的橫向傳播，污染物在氣流作用下沿座艙縱向傳播。天花板+側(cè)壁送風(fēng)使得污染物橫向傳播的范圍較大，但相比而言天花板送風(fēng)更容易使污染源處污染物以高濃度聚集。

圖7 縱向截面污染物濃度分布Fig.7 Distribution of contaminant concentration in horizontal sections

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證第2節(jié)中兩種送風(fēng)方式下污染物在座艙內(nèi)分布規(guī)律，選取與模擬仿真中污染源位于靠近過道位置相同的工況，分別采用這兩種送風(fēng)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。污染源位于右半艙第3排靠近過道位置，采用紅外光聲氣體監(jiān)測裝置測量周圍9個(gè)座位處呼吸區(qū)位置，具體測點(diǎn)布置見圖4。監(jiān)測至各測量點(diǎn)處污染物濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并持續(xù)一段時(shí)間，重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)前模擬座艙在既定送風(fēng)工況運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，排除上次實(shí)驗(yàn)干擾的同時(shí)使艙內(nèi)氣流穩(wěn)定。每次實(shí)驗(yàn)測量時(shí)長以污染物濃度測量值達(dá)到穩(wěn)定為準(zhǔn)，一般在40～60 min之間。最終取每次實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定狀態(tài)后各點(diǎn)處污染物濃度均值，對(duì)數(shù)據(jù)中的極大誤差值進(jìn)行剔除，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，污染源位于第3排，兩種送風(fēng)方式下第2排和第4排測點(diǎn)處污染物濃度值均較小，且無明顯差異，而在污染源所在排的各座位處，污染物濃度分布呈現(xiàn)出顯著差異。兩種送風(fēng)方式下均是污染源位置處污染物濃度最高。

圖8 兩種送風(fēng)方式下污染物濃度測量值Fig.8 Measurement datas of contanimamnt concentration for different ventilation patterns

天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式下，污染源位置處(測點(diǎn)4)污染物濃度相比于同排的其他兩個(gè)位置(測點(diǎn)5、6)處濃度差距較小，說明污染物在同排有擴(kuò)散趨勢(shì)。而在天花板送風(fēng)下，污染源處污染物濃度值較高，同排兩位置污染物濃度處于低水平，這說明天花板送風(fēng)方式下在靠近過道位置處污染物有明顯的鎖定現(xiàn)象[21]，不利于污染物的擴(kuò)散。天花板送風(fēng)下污染源處污染物濃度值高出天花板+側(cè)壁送風(fēng)的12%，而仿真計(jì)算中這一數(shù)值達(dá)到了40%，這可能是由于模擬計(jì)算中污染源處污染物濃度值更高造成的。從以上總體趨勢(shì)可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果吻合較好，呈現(xiàn)一致性規(guī)律。

4 座艙空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)

空氣齡是指空氣進(jìn)入空間以來的時(shí)間，可以定量地描述新鮮空氣替代空間原有空氣的快慢?？諝恺g指室內(nèi)空氣流動(dòng)形態(tài)，為更好地通風(fēng)換氣效果提供指導(dǎo)，是重要的空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)?？諝恺g越小代表氣流從進(jìn)風(fēng)口到該位置的平均時(shí)間越短，該位置的空氣被空調(diào)送風(fēng)置換得越快。座艙內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)位置當(dāng)?shù)仄骄諝恺gτp[22]的計(jì)算表達(dá)式為

(3)

式中：Cp(t)為連續(xù)記錄的采集點(diǎn)處污染物濃度值；Cp(0)為初始時(shí)刻采集點(diǎn)處污染物濃度值。

換氣效率η可用于評(píng)價(jià)通風(fēng)量的極限值，一般來講，空氣齡低于此極限值認(rèn)為通風(fēng)量充足。η的計(jì)算表達(dá)式為

(4)

式中：Vcabin為座艙內(nèi)部空間體積；vventilation為座艙送風(fēng)量。

圖9為右半艙第3排不同位置呼吸區(qū)域處空氣齡的測量值，從圖中可以看出艙內(nèi)位置不同,當(dāng)?shù)仄骄諝恺g也在發(fā)生變化?？傮w而言天花板送風(fēng)下各位置處空氣齡高于天花板+側(cè)壁送風(fēng)的，這就意味著天花板+側(cè)壁送風(fēng)時(shí)新風(fēng)更容易到達(dá)各位置。在不考慮污染物的情況下天花板+側(cè)壁送風(fēng)能夠給乘客提供更加舒適健康的送風(fēng)條件，但如果有污染物存在，這種送風(fēng)下氣體運(yùn)動(dòng)將促進(jìn)污染物的擴(kuò)散，而天花板送風(fēng)能夠一定程度上減少這種擴(kuò)散。從圖中三角形折線可以看出天花板+側(cè)壁送風(fēng)情況下中間位置處送風(fēng)效果最差，而菱形折線顯示天花板送風(fēng)工況下是靠近過道位置送風(fēng)效果差，這與2.1節(jié)中污染物濃度分布的結(jié)果一致。圖中虛線表示艙內(nèi)換氣效率，天花板+側(cè)壁送風(fēng)的空氣齡數(shù)值低于換氣效率，說明該送風(fēng)方式下艙內(nèi)通風(fēng)充足，而天花板送風(fēng)下各位置空氣齡均高于艙內(nèi)換氣率，通風(fēng)效果不充分，這也就引出另一個(gè)問題，若要使天花板送風(fēng)達(dá)到混合送風(fēng)同樣的效果勢(shì)必要增加送風(fēng)量，這意味著要增加能耗，因此，綜合考慮在同等送風(fēng)量的情況下，天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式下座艙空氣品質(zhì)更優(yōu)。

圖9 兩種送風(fēng)方式下各位置空氣齡Fig.9 Air age of each position for different ventilation patterns

5 結(jié) 論

通過研究和評(píng)價(jià)兩種送風(fēng)方式下污染物在座艙內(nèi)的總體擴(kuò)散規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1) 送風(fēng)方式及污染源位置不同對(duì)于氣態(tài)污染物在座艙內(nèi)的分布會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，CFD計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上呈現(xiàn)出一致性。

2) 相比于單獨(dú)天花板送風(fēng)，天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式使污染物在同排范圍內(nèi)橫向有較大范圍的傳播，而縱向傳播的范圍更小，而天花板送風(fēng)能夠抑制污染物在整個(gè)座艙內(nèi)大范圍地傳播擴(kuò)散，但會(huì)使污染源位置處污染物聚積，嚴(yán)重時(shí)高出天花板+側(cè)壁送風(fēng)污染物濃度的40%，對(duì)人體健康極為不利。

3) 從通風(fēng)角度來看，天花板+側(cè)壁送風(fēng)方式通風(fēng)效果更好，經(jīng)濟(jì)性更好。