基于CFD的客艙氣流組織影響分析

楊文強(qiáng)

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089）

隨著社會發(fā)展，大型客機(jī)已成為越來越重要的交通出行工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全球大約25%以上的旅客選擇了航空客運(yùn)的出行方式[1]，其中將近5%的出行人員患有心肺功能障礙疾病[2]，這對客艙空氣環(huán)境提出了更加嚴(yán)格的要求。然而，現(xiàn)代客機(jī)的客艙空氣環(huán)境不是很理想，因?yàn)榇蟛糠殖丝徒?jīng)常感覺過冷或過熱，對客艙環(huán)境不是很滿意[3]，滿足乘客健康和舒適需求的客艙環(huán)境就顯得特別重要。

大型飛機(jī)客艙氣流組織（即客艙內(nèi)空氣流速分布與溫度分布）主要由供入客艙內(nèi)空氣的流速、溫度，客艙的供氣口、排氣口的物理外形及其相對安裝位置、客艙內(nèi)部總體布局和影響客艙空氣流動換熱的多種熱載荷所決定。一方面，氣流組織不同，客艙空氣分布及控制效果也不一樣；另一方面，良好的氣流組織使得環(huán)控系統(tǒng)制冷量得到有效利用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

客艙氣流組織型式及送風(fēng)方式性能的優(yōu)劣需要給出科學(xué)的評價(jià)。大型飛機(jī)客艙氣流組織評價(jià)指標(biāo)包括舒適性和經(jīng)濟(jì)性兩個方面。舒適性指標(biāo)用于評價(jià)客艙內(nèi)氣流組織的速度場、溫度場能否滿足乘員的舒適要求；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)則要求在達(dá)到通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)使能量消耗為最低。

當(dāng)前，國外主要針對客機(jī)開展研究，以實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬為手段，集中于測試方法以及數(shù)學(xué)模型的求解。在實(shí)驗(yàn)測試方面，均在地面靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，無法準(zhǔn)確獲取氣流組織受干擾后的特性；在數(shù)值模擬方面，均簡化了客艙模型，忽略了客艙中供氣口、排氣口及再循環(huán)系統(tǒng)對氣流組織的影響[4-11]。國內(nèi)主要針對飛機(jī)駕駛艙開展研究，以數(shù)值模擬為手段，集中于計(jì)算結(jié)果的分析研究，以人體舒適度為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12-18]。

良好的客艙氣流組織能夠更好地滿足民用飛機(jī)的舒適性和經(jīng)濟(jì)性要求，從而帶來較大的商業(yè)價(jià)值。因此，開展基于供氣溫度參數(shù)、地板排氣通道面積、再循環(huán)空氣流量和客艙排氣活門安裝位置的氣流組織研究，最后對客艙空氣齡分布進(jìn)行數(shù)值模擬仿真以評價(jià)客艙氣流組織的優(yōu)劣。

1 客艙幾何模型

1.1 幾何模型

大型民用飛機(jī)客艙的全尺寸三維造型較為復(fù)雜、設(shè)備較多，不適用于數(shù)值模擬計(jì)算，因此對大型飛機(jī)客艙模型進(jìn)行了簡化，客艙在長方體空間內(nèi)填充布置艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，長方體空間的幾何尺寸坐標(biāo)為：xS：-2.96 m，xE：2.96 m；yS：-1.7 m，yE：2.4 m；zS：0 m，zE：-54.5 m。其中：S代表起點(diǎn)，E代表終點(diǎn)。后續(xù)定義與此相同。客艙三維等軸視圖如圖1所示。

圖1 客艙三維等軸視圖Fig.1 Cabin 3D equiaxial view

對客艙全尺寸建模進(jìn)行以下處理：

1）客艙主要包括12人頭等艙、54人商務(wù)艙和312人經(jīng)濟(jì)艙。為后續(xù)研究方便，將頭等艙和商務(wù)艙作為前客艙，將經(jīng)濟(jì)艙分為中客艙和后客艙。

2）取消艙內(nèi)與空氣流動無關(guān)的部分，如密閉廚房、電子設(shè)備柜以及盥洗室等不規(guī)則部分。

3）簡化或移除艙內(nèi)不重要的設(shè)備和附件，使網(wǎng)格劃分變得容易，同時(shí)加快數(shù)值計(jì)算速度，節(jié)省計(jì)算資源。

4）考慮艙內(nèi)乘員的影響，布置了艙內(nèi)乘員模型，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，乘員模型以矩形塊代替，乘員幾何尺寸為0.4 m×1.1 m×0.55 m。依據(jù)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，頭等艙乘員前后排間距為1.575 m，商務(wù)艙乘員前后排間距為1.030 m，經(jīng)濟(jì)艙乘員前后排間距為0.810 m。最終建立計(jì)算區(qū)域的最大尺寸為：5.92 m×4.1 m×54.5 m。

1.2 客艙空氣分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客艙空氣分配系統(tǒng)包括供氣口、地板排氣通道、排氣活門和再循環(huán)系統(tǒng)等，如圖2所示。沿z方向兩側(cè)均勻布置20個矩形供氣口，第1個供氣幾何尺寸坐標(biāo)為：在 x=-1.6 m 平面上，yS：1.95 m，yE：2.15 m；zS：-1 m，zE：-1.3 m，其它供氣口以此為基準(zhǔn)布置。地板排氣通道與客艙內(nèi)壁之間的寬度為0.26 m，沿z方向左右對稱。排氣活門沿z方向前后各布置2個，圓心幾何尺寸坐標(biāo)分別為（0 m，-1.7 m，-18 m）和（0 m，-1.7 m，-36 m），半徑均為0.05 m。在客艙內(nèi)布置2個再循環(huán)系統(tǒng)，圓心幾何尺寸坐標(biāo)分別為（-2.96 m，-0.35 m，-27.25 m）和（2.96 m，-0.35 m，-27.25 m），半徑均為0.3 m。

圖2 客艙空氣分配系統(tǒng)Fig.2 Cabin airflow distribution system

2 飛機(jī)客艙空氣流動的物理和數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

客艙空氣滿足理想氣態(tài)狀態(tài)方程，壓力為常數(shù)，低速流動且不可壓縮，溫度和密度變化較小，符合粘性流體動力學(xué)理論。將飛機(jī)客艙空氣流動的物理模型概括為[19]：與氣體狀態(tài)方程的等壓流動規(guī)律相一致；空氣為常溫、低速、不可壓縮的理想氣體；湍流流動中同時(shí)有自然對流、輻射換熱和強(qiáng)迫對流的情況。

2.2 數(shù)學(xué)模型

客艙空氣流動遵循不可壓粘性流體的控制方程[20]：

連續(xù)方程

動量方程

能量方程

組分方程

其中：Ui為xi方向的速度（m/s）；xi為3個垂直坐標(biāo)軸坐標(biāo)，i=1，2，3；ρ為空氣密度（kg/m3）；Uj為 xj方向的速度（m/s）；p為空氣壓力（Pa）；μ為空氣層流動力粘度[kg/（m·s）]；β為空氣熱膨脹系數(shù)（1/K）；Tref為參考溫度（K）；T為空氣溫度（K）；gi為 i方向上的重力加速度（m/s2）；h為空氣定壓比焓（J/kg）；SH為熱源（W）；λ為空氣熱導(dǎo)率[W/（m·K）]；cp為空氣定壓比熱容[J/（kg·K）]；C 為組分濃度（kg/kg）；σC為傳質(zhì) Schmidt數(shù)，通常取 1.0；SC為組分濃度源（kg/s）。

采用零方程湍流模型，在室內(nèi)空氣自然對流和混合對流的直接數(shù)值模擬結(jié)果上提出，該模型針對室內(nèi)非等溫流動的Rayleigh數(shù)范圍為[（2.6～3.0）×1010]，認(rèn)為渦粘系數(shù)正比于流體密度、當(dāng)?shù)厮俣群途啾诿孀罱嚯x，比例系數(shù)由直接數(shù)值模擬的結(jié)果擬合而得，即

其中：V為當(dāng)?shù)貢r(shí)均速度；l為當(dāng)?shù)鼐啾诿孀罱嚯x。

邊界條件設(shè)置：客艙內(nèi)壁假設(shè)為絕熱壁面；廚房和盥洗室等均為封閉塊體，外壁為絕熱壁面；乘員設(shè)為客艙內(nèi)熱源，熱載荷為75W；前客艙、中客艙和后客艙供氣溫度均為13.5℃，流速均為2m/s；地板排氣通道為自由出口；排氣活門為自由出口；再循環(huán)系統(tǒng)流量設(shè)為0.3 kg/s；操作壓力為 101 325 Pa；操作密度為1.225 kg/m3；環(huán)境溫度為20℃。采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，便于網(wǎng)格的自動生成及自適應(yīng)處理，如圖3所示。

圖3 客艙區(qū)域網(wǎng)格生成Fig.3 Cabin zone grid generation

3 客艙氣流組織影響分析

取y=0.55 m截面空氣流速分布和溫度分布情況來評價(jià)客艙氣流組織，此截面為距離地板以上0.55 m的平面，正好處于乘員坐姿的腰部，可最大限度地表征乘員的舒適性。

3.1 基于供氣溫度的客艙氣流組織研究

在基于供氣溫度研究客艙氣流組織時(shí)，考慮大型民用飛機(jī)工程實(shí)際中均采用客艙區(qū)域溫度控制的方式，分別研究前客艙、中客艙和后客艙不同供氣溫度對客艙氣流組織的影響。

前客艙供氣溫度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖4所示?？梢钥闯?，隨著前客艙供氣溫度的升高，前客艙溫度平均值升高，中客艙和后客艙溫度影響較??；前客艙供氣溫度為8℃時(shí)，對客艙溫度影響較大，整個客艙平均溫度較低；前客艙供氣溫度為10℃、12℃、14℃時(shí)，對客艙平均溫度影響較小。

圖4 前客艙供氣溫度變化時(shí)的溫度分布Fig.4 Temperature distribution under various forward cabin air supply temperatures

中客艙供氣溫度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖5所示?？梢钥闯觯S著中客艙供氣溫度的升高，中客艙溫度平均值升高，前客艙和后客艙溫度影響較?。恢锌团摴鉁囟葹?4℃時(shí)，對客艙溫度影響較大，整個客艙平均溫度較高；中客艙供氣溫度為8℃、10℃、12℃時(shí)，對客艙平均溫度影響較小。

后客艙供氣溫度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖6所示?？梢钥闯?，隨著后客艙供氣溫度的升高，后客艙溫度平均值升高，對前客艙和中客艙溫度分布影響較小。

綜上所述，大型飛機(jī)客艙采用區(qū)域溫度控制的方式，前客艙、中客艙和后客艙供氣溫度分別變化時(shí)，對其它客艙溫度分布影響較小，同時(shí)也證明客艙氣流組織設(shè)計(jì)良好。

3.2 基于地板排氣通道面積的客艙氣流組織研究

在基于地板排氣通道面積研究客艙氣流組織時(shí)，通過改變地板排氣通道寬度來計(jì)算客艙空氣流速分布和溫度分布情況。

圖5 中客艙供氣溫度變化時(shí)的溫度分布Fig.5 Temperature distribution under various middle cabin air supply temperatures

地板排氣通道寬度變化時(shí)，客艙空氣流速分布如圖7所示。可以看出，客艙排氣通道寬度變小時(shí)，客艙空氣流速分布變化影響不大；但客艙排氣通道寬度過?。?.05m）時(shí)，客艙空氣流速擾動很大，甚至達(dá)到18m/s左右。這是因?yàn)榭团撆艢馔ǖ肋^小，乘員區(qū)空氣無法經(jīng)過排氣通道到達(dá)客艙底部，乘員區(qū)空氣壓力增大，流速增大。因而在設(shè)計(jì)大型民用飛機(jī)時(shí)，客艙地板排氣通道必須留有足夠的面積，否則會使客艙氣流組織效果變差甚至不滿足設(shè)計(jì)要求。

地板排氣通道寬度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖8所示?？煽闯觯团撆艢馔ǖ缹挾茸冃团摐囟确植甲兓绊懖淮?，但客艙排氣通道寬度過小（0.05 m）時(shí)，客艙溫度驟降。

3.3 基于再循環(huán)空氣流量的客艙氣流組織研究

在基于再循環(huán)空氣流量研究客艙氣流組織時(shí)，通過改變再循環(huán)空氣流量來計(jì)算客艙空氣流速分布和溫度分布情況?？团撛傺h(huán)空氣流量變化會導(dǎo)致客艙供氣口流速變化，通過計(jì)算得出，當(dāng)再循環(huán)空氣流量分別為客艙供氣量的30%、50%、70%時(shí)，客艙供氣口流速分別為 1.8 m/s、2 m/s、2.3 m/s，供氣溫度不變。

圖6 后客艙供氣溫度變化時(shí)的溫度分布Fig.6 Temperature distribution under various backward cabin air supply temperatures

在上述條件下，客艙空氣流速分布如圖9所示?？梢钥闯觯?dāng)客艙再循環(huán)空氣流量變化時(shí)，客艙空氣流速分布均勻，變化很小，同時(shí)說明客艙氣流組織設(shè)計(jì)良好。這是因?yàn)榭团撛傺h(huán)空氣流量變化并未導(dǎo)致客艙供氣口流速顯著增加。

客艙空氣溫度分布如圖10所示?？梢钥闯觯?dāng)客艙再循環(huán)空氣流量變化時(shí)，客艙空氣溫度分布均勻，變化很小，同時(shí)說明客艙氣流組織設(shè)計(jì)良好。

3.4 基于排氣活門安裝位置的客艙氣流組織研究

在基于客艙排氣活門安裝位置研究客艙氣流組織時(shí)，通過改變客艙前排氣活門的位置來計(jì)算客艙流速分布和空氣溫度分布情況。

客艙空氣流速分布如圖11所示。圖11為前排氣活門在x、y方向位置不變，在z方向分別為-9 m、-27 m、-45 m時(shí)客艙空氣流速分布的計(jì)算結(jié)果。從圖中可看出，客艙前排氣活門安裝位置的變化并不影響客艙空氣流速的變化。

圖7 地板排氣通道寬度變化時(shí)的流速分布Fig.7 Velocity distribution under various floor air outflow widths

圖8 地板排氣通道寬度變化時(shí)的溫度分布Fig.8 Temperaturedistributionundervariousfloorairoutflowwidths

圖9 再循環(huán)空氣量變化時(shí)的流速分布Fig.9 Velocity distribution under various recirculation airflows

圖10 再循環(huán)空氣量變化時(shí)的溫度分布Fig.10 Temperature distribution under various recirculation airflows

客艙空氣溫度分布如圖12所示。圖12為前排氣活門在x、y方向位置不變，在z方向分別為-9 m、-27 m、-45 m時(shí)客艙空氣溫度分布的計(jì)算結(jié)果，從圖中可看出，客艙前排氣活門安裝位置的變化對客艙空氣溫度的變化影響不大。

圖11 前排氣活門安裝位置變化時(shí)的流速分布Fig.11 Velocity distribution under various forward outflow valve positions

圖12 前排氣活門安裝位置變化時(shí)的溫度分布Fig.12 Temperature distribution under various forward outflow valve positions

4 客艙氣流組織空氣齡評價(jià)

客艙氣流組織的評價(jià)指標(biāo)主要有送風(fēng)有效性指標(biāo)、污染物排除有效性指標(biāo)、熱舒適指標(biāo)和能量有效利用指標(biāo)。送風(fēng)有效性指標(biāo)，一般由空氣齡來定義，其表面意義是指空氣在客艙內(nèi)被測點(diǎn)上的停留時(shí)間，實(shí)際意義表征的是艙內(nèi)舊空氣被新鮮空氣所替換的速度。通常采用示蹤氣體濃度自然衰減法來測定客艙空氣齡，該方法尤其適用于艙內(nèi)氣流分布情況以及客艙供、排氣口不確定時(shí)的情況。通過計(jì)算空氣齡分布，對大型民用飛機(jī)客艙氣流組織進(jìn)行評價(jià)[21]，即

其中：τp為空氣齡（s）；入口邊界條件：τp=0；出口邊界條件計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 空氣齡分布圖Fig.13 Air age distribution

由圖13可知，客艙空氣齡數(shù)值沿航向左側(cè)和右側(cè)對稱分布，從前客艙、中客艙到后客艙逐漸增大，說明頭等艙空氣最為新鮮，中客艙次之，經(jīng)濟(jì)艙最差。

5 結(jié)語

對大型飛機(jī)客艙氣流組織的研究表明，客艙供氣溫度變化時(shí)會對本區(qū)域的客艙溫度產(chǎn)生影響，而對其它客艙溫度分布影響較?。晃闹性O(shè)定的地板排氣通道面積、再循環(huán)空氣流量和客艙排氣活門安裝位置對客艙的空氣溫度分布和空氣流速分布影響很?。坏匕迮艢馔ǖ烂娣e過小時(shí)，客艙內(nèi)空氣無法排至客艙地板下部區(qū)域，導(dǎo)致客艙空氣流速過大甚至不滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對大型飛機(jī)客艙氣流組織進(jìn)行了評價(jià)，計(jì)算了客艙空氣齡分布，結(jié)果表明頭等艙空氣最新鮮，商務(wù)艙次之，經(jīng)濟(jì)艙最差。