民機(jī)客艙中太陽(yáng)輻射對(duì)熱舒適性的影響

龐麗萍，李恒，王天博，范俊，鄒凌宇

（1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083； 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，沈陽(yáng)110136；3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，沈陽(yáng)110136； 4.陸軍航空兵研究所，北京101121）

民機(jī)座艙的熱舒適性是目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)內(nèi)容，也是民機(jī)性能在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中重要的競(jìng)爭(zhēng)力之一。PMV指數(shù)是以人體熱平衡的基本方程及心理學(xué)主觀熱感覺(jué)的等級(jí)為出發(fā)點(diǎn)，考慮人體熱舒適感諸多有關(guān)因素的全面評(píng)價(jià)指標(biāo)［1-4］，是目前國(guó)際上公認(rèn)的衡量環(huán)境熱舒適性的重要參數(shù)。

關(guān)于太陽(yáng)輻射對(duì)飛機(jī)影響的研究，國(guó)外最早開始于20世紀(jì)中期。如建立于1947年的美國(guó)麥金利氣候?qū)嶒?yàn)室，采用發(fā)熱燈代替太陽(yáng)光源，并且已經(jīng)成功地開展了多組飛機(jī)實(shí)驗(yàn)［5］；俄羅斯Obninsk企業(yè)為第五代戰(zhàn)斗機(jī)T-50生產(chǎn)復(fù)合材料部件，開發(fā)了一種獨(dú)特的涂層，以保護(hù)飛機(jī)的玻璃座艙免受 太 陽(yáng) 輻 射［6-7］；Beck等［5］和Battistoni［8］通過(guò)具體的物理理論計(jì)算，分析了太陽(yáng)射線中的能量對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程的影響。

國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)輻射和熱舒適性的研究目前還不完善。由于中國(guó)無(wú)容納飛機(jī)開展氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室，相關(guān)研究也進(jìn)行的較少，僅僅在理論和飛機(jī)窗戶材料方面有所研究［9］。楊建忠、王振斌等［10］對(duì)飛機(jī)座艙的溫度擾動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究分析；何良、吳長(zhǎng)水等［11］根據(jù)雷諾平均的方法，采用射線追蹤方法，計(jì)算了太陽(yáng)輻射對(duì)汽車乘員的溫度場(chǎng)，并且分析了隔熱玻璃對(duì)艙室內(nèi)乘員溫度場(chǎng)的影響；郝貴和、劉永輝等［12］基于ASHRAE模型分析了客艙表面太陽(yáng)輻射量。

目前，對(duì)太陽(yáng)輻射和熱舒適度的研究很多都是在理想的理論環(huán)境下進(jìn)行的［13-14］，很少有學(xué)者做過(guò)實(shí)際測(cè)量［15-16］，也沒(méi)有提出合理有效的改進(jìn)措施。本文以實(shí)際航班測(cè)試與CFD仿真為基礎(chǔ)，采用實(shí)際的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)作為CFD動(dòng)態(tài)仿真的邊界條件，詳細(xì)建立了與實(shí)際民機(jī)客艙相近的物理模型，再現(xiàn)民機(jī)客艙內(nèi)部在太陽(yáng)輻射下溫度和熱舒適度的分布情況，為提高民機(jī)客艙熱舒適性提供詳細(xì)準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

1 太陽(yáng)輻射熱效應(yīng)測(cè)試與分析

1.1 實(shí)際客艙溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)

1）測(cè)試方法

從飛機(jī)地面待機(jī)開始，到整個(gè)飛行包線結(jié)束的過(guò)程中，每隔5 min測(cè)量一次客艙內(nèi)各壁面的溫度和艙內(nèi)壓力?？团搩?nèi)部區(qū)域劃分如圖1所示。

將客艙橫向劃分為向陽(yáng)和背陰兩側(cè)面，兩側(cè)面實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布完全對(duì)稱，所以取客艙向陽(yáng)面為例，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布情況。在遠(yuǎn)離窗戶的側(cè)壁上分別取上、中、下3點(diǎn)，求平均值得到側(cè)壁的溫度，如圖2所示。

窗戶在采取遮光板時(shí)，選取4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，分布在窗上，4組測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值得到窗戶溫度值，如圖3所示。地板溫度測(cè)點(diǎn)共3個(gè)，沿橫向分布在乘客腳底，3組測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值得到地板溫度值，如圖4所示。

2）測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備信息如表1所示。

3）航線信息

為了更好地對(duì)比太陽(yáng)輻射效應(yīng)對(duì)飛機(jī)客艙熱舒適性的影響，選取春季、夏季和冬季3個(gè)季節(jié)，航線在南北方向且飛行時(shí)間較長(zhǎng)的6組航班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，目的是獲取更多的測(cè)試數(shù)據(jù)及使測(cè)試結(jié)果更具對(duì)比性。具體的航班信息如表2所示。

圖1 客艙內(nèi)部區(qū)域劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of cabin interior zoning

圖2 側(cè)壁溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Temperature measurement point distribution of side wall

圖3 窗戶溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.3 Temperature measurement point distribution of window

測(cè)量?jī)x器 測(cè)量范圍 精度溫濕度壓力傳感器30～110 kPa 0.15 kPa Testo熱線風(fēng)速儀 0～10 m/s 0.1 m/s Testo紅外線溫度計(jì)-30～400℃ 2%

編號(hào) 季節(jié) 往返地 航班號(hào) 機(jī)型1 春季 北京—廈門HU7191 B787 2 春季 廈門—北京 HU7192 B787 3 夏季 北京—昆明 HU7211 B787 4 夏季 昆明—北京 HU7212 B787 5 冬季 北京—麗江 CA1469 A319 6 冬季 麗江—北京CA1470 A319

1.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)和通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，乘客區(qū)域氣流速度不超過(guò)0.36 m/s，通過(guò)整理6組航班的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量人體周圍的風(fēng)速約0.1～0.2 m/s，對(duì)熱舒適度影響很??；在飛機(jī)起飛和降落的過(guò)程中，向陽(yáng)面和背陰面隨著時(shí)間反復(fù)變化，數(shù)據(jù)相差較大。因此，本文主要分析飛機(jī)在平飛階段溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果曲線，可得如下結(jié)論：

1）由圖5（a）可以得出，春季、夏季和冬季飛機(jī)客艙內(nèi)地板的溫度相差很小，同一航班上向陽(yáng)和背陰兩側(cè)地板平均溫度最大溫差不超過(guò)2℃。主要原因是：地板不受太陽(yáng)光直接輻射，熱量經(jīng)過(guò)窗戶進(jìn)入客艙后傳遞到各個(gè)區(qū)域，最終太陽(yáng)輻射的熱量只有很少部分傳遞到地板上。

圖5 不同季節(jié)客艙內(nèi)部溫度測(cè)試結(jié)果曲線Fig.5 Temperature measurement curves of cabin interior in different seasons

2）由圖5（b）可以得出，向陽(yáng)面和背陰面?zhèn)缺诘臏囟炔钪凳芗竟?jié)性影響程度比地板較大，夏季最高溫度25℃，春季最低溫度21℃，兩季節(jié)客艙側(cè)壁溫差可達(dá)4℃；但是同一季節(jié)里向陽(yáng)面和背陰面的側(cè)壁溫差在2℃，同樣說(shuō)明側(cè)壁溫度受太陽(yáng)輻射影響較小。

3）由圖5（c）可以得出，客艙窗戶溫度受太陽(yáng)輻射影響很大，3個(gè)季節(jié)里向陽(yáng)面和背陰面的窗戶平均溫差高達(dá)20℃。冬季窗戶最高溫度36℃，最低溫度16℃，局部最大溫差達(dá)到20℃。主要原因是：向陽(yáng)面窗戶直接受到太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致溫度升高。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，從飛機(jī)客艙內(nèi)部窗戶到側(cè)壁再到地板的垂直方向上，溫度場(chǎng)分布極不均勻，從而造成乘客熱舒適性較差。特別是靠近向陽(yáng)側(cè)窗戶周圍，即使采取遮光措施，但是較高的輻射溫度給乘客帶來(lái)極不舒適的感覺(jué)。

2 民機(jī)客艙熱舒適性仿真

2.1 PMV評(píng)價(jià)指標(biāo)

在ISO 7730—2005［17］熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)中，PMV指標(biāo)的推薦值為-0.5～+0.5，即如果在環(huán)境中的90%的人覺(jué)得熱舒適性情況良好，則該環(huán)境可以稱為熱舒適環(huán)境。本文的CFD模塊中，PMV公式如下：

式中：M 為人體代謝量，W/m2；W 為人體對(duì)外做功，W/m2；Pa為周圍空氣中水蒸氣分壓，Pa；ta為人體周圍空氣溫度，℃；tcl為服裝外表面溫度，℃；tr為周圍環(huán)境平均輻射溫度，℃；fcl為人體服裝面積系數(shù)；hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

周圍環(huán)境平均輻射溫度公式為

式中：Fp-i為該表面對(duì)其他表面的輻射角系數(shù)；ti為其他表面的溫度?？梢钥闯觯h(huán)境的輻射溫度對(duì)熱舒適度影響很大。

2.2 動(dòng)態(tài)仿真邊界條件

對(duì)實(shí)體模型等效簡(jiǎn)化處理后，按照實(shí)際尺寸建立雙通道飛機(jī)客艙模型。圖6為仿真模型的截面圖，客艙乘客編號(hào)規(guī)則如下：每排從左到右排序，分別為1～10號(hào)乘客，即1號(hào)乘客為背陰面窗戶乘客，10號(hào)乘客為向陽(yáng)面靠窗戶乘客。

同時(shí)，分別選取乘客腳部、胸部和頭部3個(gè)位置計(jì)算仿真的PMV 值。測(cè)點(diǎn)具體位置如圖7所示。

各壁面的壓力溫度等條件是根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)作為仿真邊界條件輸入。本文根據(jù)夏季北京飛往昆明的HU7211航班測(cè)量數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件進(jìn)行邊界條件的函數(shù)曲線擬合。

客艙壓力的邊界條件如圖8所示。兩側(cè)地板、側(cè)壁和窗戶的溫度擬合曲線如圖9所示。

根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)和通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，民機(jī)客艙內(nèi)的新風(fēng)量為每人0.25 kg/min。本文按照50%的新風(fēng)空氣和50%的艙內(nèi)再循環(huán)空氣組成，得出最終送風(fēng)量為每人0.5 kg/min，按此邊界條件設(shè)置送風(fēng)口邊界條件?？紤]到3 h左右的航班客艙濕度較低，送風(fēng)空氣的濕度設(shè)置為25%；向陽(yáng)和背陰兩側(cè)采用統(tǒng)一的送風(fēng)溫度為17℃。

圖6 乘客位置分布Fig.6 Passenger location distribution

圖7 乘客周圍測(cè)點(diǎn)分布Fig.7 Layout of measuring points around passenger

本文將乘客看成一個(gè)整體，計(jì)算乘客表面與其他各表面部分的輻射角系數(shù)，其他表面包括客艙的側(cè)壁面、天花板、地板、前后表面、座椅表面及其他乘客表面。物理模型如圖10所示。共計(jì)算了2個(gè)典型位置乘客的輻射角系數(shù)，結(jié)果如表3和表4所示。其中，乘客1為右側(cè)靠窗乘客，乘客2為右側(cè)過(guò)道乘客。各乘客對(duì)周圍環(huán)境輻射面角系數(shù)之和為1。

圖8 客艙壓力邊界條件Fig.8 Cabin pressure boundary conditions

圖9 兩側(cè)溫度邊界條件擬合曲線Fig.9 Fitting curves of temperature boundary conditions of two sides

表面p 表面i 輻射類型 輻射角系數(shù)Fp-i 0.20乘客1 座艙地板 表面至表面 0.13乘客1 座艙右側(cè)面 表面至表面 0.29乘客1 座艙右窗戶 表面至表面 0.14乘客1 座椅 表面至表面 0.14乘客1 其他乘客 表面至表面乘客1 座艙頂壁面 表面至表面0.10

表面p 表面i 輻射類型 輻射角系數(shù)Fp-i乘客2 座艙頂壁面 表面至表面0.30乘客2 座艙地板 表面至表面 0.18乘客2 座艙右側(cè)面 表面至表面 0.08乘客2 座艙左壁面 表面至表面 0.08乘客2 座艙右窗戶 表面至表面 0.02乘客2 座艙左窗戶 表面至表面 0.03乘客2 座椅 表面至表面 0.20乘客2 其他乘客 表面至表面0.11

人體作為35℃的恒溫源，透射率為0，發(fā)射率為0.97，反射率由客艙空間布局、人體透射率和發(fā)射率根據(jù)模型自動(dòng)計(jì)算得出。

2.3 仿真結(jié)果分析

在構(gòu)建乘客與實(shí)際客艙模型等效的仿真物理模型后，輸入實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)擬合出溫度和壓力等邊界條件，在CFD中仿真計(jì)算出溫度場(chǎng)的分布情況及乘客周圍熱舒適度PMV值。

飛機(jī)在平飛階段艙內(nèi)溫度穩(wěn)定后的仿真截圖如圖11所示。結(jié)果顯示，向陽(yáng)側(cè)乘客周圍的空氣溫度高于背陰側(cè)乘客周圍的空氣溫度，這與實(shí)際測(cè)量結(jié)果大致相符合。但是仿真結(jié)果的溫差并沒(méi)有實(shí)際測(cè)量的溫差大，主要原因是仿真過(guò)程中忽略了很多實(shí)際的輻射熱量和客艙內(nèi)部空氣的流場(chǎng)分布情況，而且溫度云圖顯示的是客艙內(nèi)部空氣的溫度場(chǎng)分布，并非窗戶、側(cè)壁和地板的溫度，因此差異性沒(méi)有實(shí)際測(cè)量結(jié)果明顯。

飛機(jī)在平飛階段艙內(nèi)PMV穩(wěn)定后的仿真截圖如圖12所示。結(jié)果顯示，向陽(yáng)側(cè)乘客周圍的PMV值明顯高于背陰側(cè)，說(shuō)明在相同的送風(fēng)溫度下，即使采用遮光板向陽(yáng)側(cè)窗戶周圍乘客也會(huì)有較熱的感覺(jué)。

根據(jù)國(guó)際通用的PMV計(jì)算模式，利用CFD軟件計(jì)算得出整個(gè)飛行過(guò)程中乘客頭部和胸部周圍熱舒適度在向陽(yáng)和背陰兩側(cè)的平均差值，如表5和表6所示。分析表5和表6數(shù)據(jù)可以看出，采用遮光板以后，向陽(yáng)和背陰兩側(cè)乘客的熱舒適度PMV仍然存在差異，特別是兩側(cè)靠近窗戶周圍的乘客，PMV值最高相差0.64，而人體在熱舒適環(huán)境下PMV的推薦值為-0.5～+0.5，所以兩側(cè)乘客肯定會(huì)產(chǎn)生不同的冷熱感覺(jué)，導(dǎo)致乘客出行過(guò)程中舒適度下降。

圖11 客艙內(nèi)部溫度場(chǎng)仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of temperature field in cabin

左右測(cè)點(diǎn) PMV差值10-1 0.64 9-2 0.56 8-3 0.40 7-4 0.1 6-5 0.02

左右測(cè)點(diǎn) PMV差值10-1 0.54 9-2 0.54 8-3 0.44 7-4 0.11 6-5 0.04

3 結(jié) 論

本文通過(guò)采集分析實(shí)際航班飛行過(guò)程中的溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合CFD動(dòng)態(tài)仿真研究，得出如下結(jié)論：

1）白天的太陽(yáng)輻射對(duì)于飛機(jī)客艙內(nèi)部地板和遠(yuǎn)離窗戶的側(cè)壁溫度影響較小，溫差不超過(guò)2℃；但是對(duì)于窗戶周圍的溫度影響較大，向陽(yáng)和背陰兩側(cè)窗戶周圍最高溫差可達(dá)20℃。

2）通過(guò)CFD動(dòng)態(tài)仿真研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的送風(fēng)和控溫方式下，采用遮光板時(shí)可以將客艙內(nèi)部的空氣溫度調(diào)節(jié)的相對(duì)均勻合理，空氣溫度場(chǎng)分布向陽(yáng)和背陰兩側(cè)沒(méi)有存在較大的差異性。

3）仿真結(jié)果顯示，民機(jī)窗戶的溫度在太陽(yáng)輻射影響下會(huì)急劇升高，在較高的輻射溫度影響下，向陽(yáng)側(cè)乘客的PMV值明顯高與背陰側(cè)的PMV值，因此需要進(jìn)一步采取新的措施，降低窗戶的輻射溫度，減小太陽(yáng)輻射對(duì)民機(jī)客艙向陽(yáng)側(cè)窗戶周圍的熱舒適性影響。