基于PMV指標(biāo)的駕駛艙熱舒適性研究

薛長(zhǎng)樂(lè) 李艷娜 張濤波

基于PMV指標(biāo)的駕駛艙熱舒適性研究

薛長(zhǎng)樂(lè) 李艷娜 張濤波

（航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 西安 710089）

針對(duì)某型機(jī)駕駛艙熱舒適性的問(wèn)題，在CFD軟件建立仿真計(jì)算模型，模擬了送風(fēng)溫度為30℃和40℃時(shí)艙室的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，并由試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真模擬的正確性，進(jìn)而由速度和溫度結(jié)果推導(dǎo)出艙室熱舒適性評(píng)價(jià)參數(shù)PMV和PPD的值。結(jié)果表明，駕駛艙空氣分配形成的氣流組織滿足HB7489的要求；送風(fēng)溫度40℃時(shí)機(jī)組人員腳部周?chē)諝鉁囟瓤蓾M足GJB1129“足趾溫度舒適區(qū)為24℃～30℃”的要求，PMV和PPD值反映機(jī)組人員周?chē)拇蟛糠謪^(qū)域舒適性較好，但腳部區(qū)域PMV值小于-1，需通過(guò)增加輔助的加熱設(shè)備改善腳部舒適性。

舒適性；氣流組織；仿真計(jì)算；熱舒適指標(biāo)

0 引言

隨著航空技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)座艙舒適性要求越來(lái)越高，尤其是駕駛艙的舒適性，良好的座艙舒適性是保證駕駛員功效的一個(gè)必要條件。舒適性是人對(duì)環(huán)境影響的一種主觀評(píng)價(jià)，受多種因素影響，比如：熱環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、空氣品質(zhì)等，而且每種因素都不是單一作用，同時(shí)各個(gè)因素之間也會(huì)產(chǎn)生互相影響。熱環(huán)境包含的因素主要有：空氣溫度、相對(duì)濕度、氣流速度、輻射溫度，包括人體本身的服裝熱阻和代謝率，都與人體熱舒適密切相關(guān)。在舒適條件下人不會(huì)必然產(chǎn)生反應(yīng)，但不舒服常常會(huì)引起人的反應(yīng)。盡管人體有一定的自我調(diào)節(jié)能力，環(huán)境對(duì)人體熱舒適的影響仍占主要作用。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從送風(fēng)形式、送風(fēng)速度、不同季節(jié)及個(gè)性送風(fēng)系統(tǒng)等方面進(jìn)行了飛機(jī)艙室內(nèi)的熱舒適性研究[1-4]。本文采用FLUENT軟件模擬了現(xiàn)有送風(fēng)形式下送風(fēng)溫度分別為30℃和40℃時(shí)駕駛艙的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，結(jié)合PPV-PPD指標(biāo)分析了駕駛艙的熱舒適性，著重研究了機(jī)組成員的頭部和腳部熱舒適性。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

根據(jù)某型機(jī)的駕駛艙的布局，建立幾何模型如圖1所示，主要包括頂部通風(fēng)格柵、腳部通風(fēng)管路、排氣格柵、機(jī)組人員、地板等。駕駛艙主供氣格柵的供氣流量分別為300kg/h，腳部通風(fēng)支路分別為150kg/h。駕駛員左右腳前部區(qū)域設(shè)有出風(fēng)口，中間區(qū)域設(shè)有小孔出風(fēng)。

圖1 幾何模型

采用FLUENT前處理軟件ICEM對(duì)駕駛艙區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所有區(qū)域均為四面體網(wǎng)格。圖2給出了不同網(wǎng)格數(shù)量下左側(cè)駕駛員頭部上方直線（點(diǎn)1（4.8，-0.3，1.3）和點(diǎn)2（4.8，-0.3，1.3））處的溫度和速度變化，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性分析，總網(wǎng)格數(shù)約488萬(wàn)可滿足計(jì)算需求，其中最小網(wǎng)格尺寸為0.2。

邊界條件設(shè)置如表1所示，蒙皮部分溫度為288.15K。

表1 邊界條件

1.2 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算中空氣的密度設(shè)置采用imcompressible- ideal-gas，采用分離求解器求解控制方程，控制方程求解采用SIMPLIE算法。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前最全面最通用的熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)是丹麥P O Fanger[5]提出的預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)指標(biāo)PMV（Predicted Mean Vote），表示一個(gè)可預(yù)測(cè)任何給定環(huán)境變量的組合所產(chǎn)生熱感覺(jué)的指標(biāo)。對(duì)即使大多數(shù)人都滿意的環(huán)境，也會(huì)有人感到不舒服，因此采用PPD指標(biāo)（預(yù)期不滿意百分率）來(lái)表示對(duì)熱環(huán)境不滿意的百分率，在實(shí)際應(yīng)用中常把PMV與PPD結(jié)合起來(lái)。

預(yù)測(cè)平均熱感覺(jué)指標(biāo)PMV[5]主要包括空氣溫度、濕度、速度及平均輻射溫度4個(gè)因素，還包括服裝與新陳代謝，方程如下：

其中的計(jì)算公式為：

其中f，T和h可根據(jù)下列公式計(jì)算：

f=1.05+0.645I（I≥0.078） （4）

f=1.0+1.29I（I＜0.078） （5）

（7）

（8）

PPD與PMV的關(guān)系式如下：

=100-95exp(-0.033534-0.21792)（9）

其中人體輸出外功為0，即=0；新陳代謝率：58.15W/m2。衣服熱阻：以夏季工況為例，采用一般夏季服裝：短褲、長(zhǎng)薄褲子，短袖、薄短襪和鞋子，本文中模擬人體表面服裝熱阻取0.08[6]。本文中平均輻射溫度T取25℃，空氣相對(duì)濕度為35%時(shí)水蒸氣分壓力P約756Pa。

ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)[7]中將PMV分為7點(diǎn)生理、心理熱感覺(jué)標(biāo)尺，如表2所示，一般PMV在±1之間認(rèn)為是舒適狀態(tài)。

通常認(rèn)為舒適性應(yīng)滿足PPD指標(biāo)（預(yù)期不滿意百分率）<10的范圍。

表2 PMV舒適標(biāo)準(zhǔn)

2 模型驗(yàn)證及結(jié)果分析

由于人體的頭部和腳部對(duì)溫度較為敏感，本文側(cè)重分析機(jī)組人員頭部和腳部的舒適性狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及PMV-PPD綜合分析預(yù)測(cè)駕駛艙的舒適性。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

圖3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)供氣溫度為40℃的仿真計(jì)算結(jié)果，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析如圖3所示，其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為瞬態(tài)數(shù)據(jù)，隨時(shí)間變化波動(dòng)明顯，仿真計(jì)算為穩(wěn)態(tài)結(jié)果，對(duì)比表明駕駛員頭部和腳部的仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，駕駛員左右扶手的溫度仿真計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定偏差，這是因?yàn)樵囼?yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，駕駛員左右兩側(cè)氣流不均勻，導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)差別較大，對(duì)本文來(lái)說(shuō)頭部和足部數(shù)據(jù)吻合度較好，因此仿真結(jié)果有效。

2.2 結(jié)果分析

結(jié)果顯示所取典型截面圖4所示。

圖4 典型截面位置

2.2.1 送風(fēng)溫度30℃

當(dāng)送風(fēng)溫度303.15K（30℃）時(shí)，各個(gè)典型截面的溫度，速度，PMV及PPD分布如圖5～圖6所示。

駕駛員所在截面模擬結(jié)果顯示，駕駛員周?chē)諝獾臏囟确秶鸀?0～24℃，速度小于0.5m/s，除了駕駛員附近及個(gè)別區(qū)域的PMV值在-1～1的范圍，其余均小于-1，該截面大部分區(qū)域的PPD值大于10，主觀感覺(jué)冷。

駕駛員腳部所在截面模擬結(jié)果顯示，駕駛員腳部左右兩側(cè)的空氣的溫度約為20℃，兩腳中間區(qū)域的溫度約18℃，腳部周?chē)臍饬魉俣燃s0.5～0.75m/s，駕駛員左腳上部的PMV值在0～-1之間，其余PMV值均小于-2，腳部周?chē)腜PD值基本都大于10，感覺(jué)偏冷。

2.2.2 送風(fēng)溫度40℃

當(dāng)送風(fēng)溫度為313.15K（40℃）時(shí)，各個(gè)典型截面的溫度，速度，PMV及PPD分布如圖7～圖8所示。

駕駛員所在截面模擬結(jié)果顯示，駕駛員周?chē)諝獾臏囟确秶鸀?4～28℃，速度小于0.5m/s，該截面大部分區(qū)域的PMV值在-1～1的范圍，PPD值小于10?？拷善ず偷匕宓牟糠?，PMV值小于-1，PPD值大于10，其原因是壁面處的氣流速度較大。與送風(fēng)溫度為30℃的結(jié)果相比，在氣流組織一定時(shí)，送風(fēng)溫度為40℃時(shí)人員感覺(jué)舒適。由于送風(fēng)溫度為30℃時(shí)，艙室及人員周?chē)臏囟容^低，駕駛員感覺(jué)冷。

圖8 典型截面2溫度、速度、PMV和PPD分布（駕駛員腳部）

駕駛員腳部所在截面模擬結(jié)果顯示，駕駛員腳部周?chē)諝鉁囟确秶?4～27℃，腳部周?chē)臍饬魉俣燃s0.5～0.75m/s該區(qū)域的PMV值在0～-1之間，但是兩腳之間的PMV值小于-1.5，該部分的PPD值大于10，感覺(jué)冷，有明顯的吹風(fēng)感，腳部舒適性相比于送風(fēng)溫度為30℃時(shí)有明顯改善，但還有局部的不舒適感，其主要原因是腳部周?chē)鷼饬魉俣容^大。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某型機(jī)駕駛艙模型的適當(dāng)簡(jiǎn)化，在現(xiàn)有送風(fēng)形式下建立幾何模型，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行模型驗(yàn)證，采用FLUENT軟件模擬了送風(fēng)溫度為30℃和40℃時(shí)，駕駛艙機(jī)組人員及駕駛員腳部的周?chē)乃俣葓?chǎng)和溫度場(chǎng)，并分析了反映人體熱舒適性的指標(biāo)PMV和PPD的分布情況，得出如下結(jié)論：

（1）駕駛艙現(xiàn)有的頂部和腳部送風(fēng)，側(cè)壁及地板間隙回風(fēng)形式形成的氣流組織滿足HB7489 中“駕駛艙機(jī)組成員迎面氣流速度不超過(guò)1.02m/s”的要求[8]。駕駛員腳部的湍流區(qū)風(fēng)速在0.5～0.75m/s。

（2）當(dāng)送風(fēng)溫度為30℃時(shí)，駕駛員腳部區(qū)域溫度約20℃，僅滿足GJB1129-91[9]座艙溫度控制生理學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求“足趾溫度工效保證區(qū)為19℃～23℃”。不滿足“足趾溫度舒適區(qū)為24℃～30℃”的要求。機(jī)組人員周?chē)蟛糠謪^(qū)域PMV值均小于-1，PPD值大于10，感覺(jué)偏冷。

送風(fēng)溫度為40℃時(shí)，駕駛員腳部區(qū)域溫度為24～27℃，滿足GJB1129-91[9]座艙溫度控制生理學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求“足趾溫度舒適區(qū)為24℃～30℃”。此時(shí)機(jī)組人員周?chē)拇蟛糠謪^(qū)域PMV值在-1～1之間，PPD值小于10，人員感覺(jué)舒適。但腳部局部區(qū)域的PMV值仍小于-1，熱舒適性需改善。

（3）熱舒適性指標(biāo)PMV-PPD可在一定程度上反映艙室的熱舒適性情況，但PMV是溫度及速度的函數(shù)，在局部湍流區(qū)，如駕駛員腳部，由于溫度偏低或者速度偏高，PMV都會(huì)顯示為不舒適。

[1] 孫賀江,吳塵,安璐.大型客機(jī)座艙混合送風(fēng)形式的數(shù)值模擬[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2013,30(3):339-444.

[2] 王修巖,張革文,劉艷敏,等.波音737飛機(jī)的客艙內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)值模擬[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2018,30(5):1974-1979.

[3] 劉俊杰,李炳燁,裴晶晶,等.不同季節(jié)飛機(jī)客艙環(huán)境的主客觀實(shí)驗(yàn)研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）,2015,48(2):103-110.

[4] 孫賀江,李衛(wèi)娟,楊斌.客機(jī)座艙新型個(gè)性座椅送風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值仿真[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）,2013,46(1):16-21.

[5] P O Fanger. Thermal Comfort[M]. Robert E. Krieger Publishing Company, 1982.

[6] 何樂(lè).客機(jī)機(jī)艙環(huán)境熱舒適研究[D].天津:天津大學(xué), 2010.

[7] ASHRAE. ANSI/ASHRAE Standard 161-2007, Air Quality within Commercial Aircraft[S]. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, 2007．

[8] GJB7489-2019,民用飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)通用要求[S].2014.

[9] GJB1129-91,軍用飛機(jī)座艙溫度評(píng)定的方法和生理學(xué)要求[S].1991.

Cabin Thermal Comfort Study Based on PMV Index

Xue Changle Li Yanna Zhang Taobo

( AVIC The First Aircraft Institute, Xi’an, 710089 )

To address thermal comfort of a certain aircraft cockpit, the cabin velocity and temperature were simulated by CFD, when the supply air temperature is 30 or 40℃. Based on the velocity and temperature, we can obtain PMV and PPD value evaluating the cabin thermal comfort. The results show that air distribution of cockpit satisfy the demand of HB7489; under 40℃ supply air, the temperature of air around the pilots’ feet is belong to the scope that toe temperature comfort extent in GJB1129 is the extent from 24 to 30℃. The value of PMV and PPD reflects the area around the pilots is quite comfortable, but the PMV value of the feet area is less than -1, auxiliary heater will be added to improve the foot area comfort.

thermal comfort; air distribution; simulation calculation; thermal comfort index

V245.3

A

1671-6612（2020）04-416-08

薛長(zhǎng)樂(lè)（1989.09-），女，碩士研究生，工程師，E-mail：932219967@qq.com

2019-05-28