基于CFD對飛機(jī)客艙的舒適度分析

趙明申 嚴(yán)平

摘? 要：參照客機(jī)C919客艙空調(diào)系統(tǒng)，對客機(jī)客艙的幾何模型內(nèi)部進(jìn)行了速度和溫度流場的詳細(xì)分析。運(yùn)用商用CFD軟件Fluent模擬艙內(nèi)空氣流動(dòng)，記錄艙內(nèi)人體周圍各個(gè)關(guān)鍵位置的空氣溫度以及速度，從而給乘客帶來最佳的舒適體驗(yàn)。在考慮熱天情況下，給定艙內(nèi)初始溫度以及出風(fēng)速度，通過調(diào)整送風(fēng)口的不同角度，計(jì)算人體舒適性結(jié)果。根據(jù)計(jì)算得到的速度和溫度云圖，進(jìn)而獲得乘客的最佳舒適性工況。發(fā)現(xiàn)當(dāng)送風(fēng)口角度調(diào)整為右偏25°時(shí)，乘客會(huì)獲得較好的乘坐體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：客機(jī)客艙;速度和溫度流場;CFD;人體舒適性

中圖分類號：F560? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Referring to the air conditioning system of C919 cabin， the velocity and temperature flow fields inside the geometric model of the passenger cabin are analyzed in detail. The commercial CFD software fluent is used to simulate the air flow in the cabin and record the air temperature and speed of each key position around the human body in the cabin， so as to bring the best comfortable experience to the passengers. In the case of hot weather， given the initial temperature and air velocity in the cabin， the human comfort results are calculated by adjusting the different angles of the air supply outlet. According to the calculated speed and temperature nephogram， the best comfort condition of passengers can be obtained. It is found that when the air supply outlet angle is adjusted to 25° to the right， passengers will get a better ride experience.

Key words： passenger cabin; velocity and temperature flow field; CFD; human comfort

0? 引? 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，越來越多的人選擇飛機(jī)作為交通工具。作為民用飛機(jī)制造商，在設(shè)計(jì)階段明確經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和環(huán)保性的總體設(shè)計(jì)思想將變得尤為重要。隨著市場趨于飽和造成的激烈競爭以及旅客要求的不斷提高，舒適性受到越來越多的關(guān)注。此外，研究表明，舒適度的改善與乘客選擇意愿的提升有密切關(guān)系，提升乘客在飛行過程中的舒適感，能夠大大提高乘客對該航空公司的好感[1]。因此，如何在設(shè)計(jì)過程中體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)原則，提升民機(jī)客艙的舒適性顯得愈來愈重要[2]。本文將在CFD的基礎(chǔ)上對空調(diào)送風(fēng)的角度進(jìn)行探究，如何選擇合適的送風(fēng)角度來提高乘客的舒適感。

1? 客艙內(nèi)部氣流場的建模研究

本研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件ANSYS Fluent對C919客艙的簡化模型進(jìn)行空氣速度流場和溫度流場的數(shù)值模擬，因?yàn)榭团撍惋L(fēng)速度相對較低，所以將客艙內(nèi)的空氣流動(dòng)看作是不可壓縮的湍流，其密度設(shè)置為常數(shù)。采用的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

動(dòng)量方程：

=+μ+-μ+ρg? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

上述表達(dá)的2個(gè)公式中，其中u為駕駛艙內(nèi)的氣流速度，單位是（m/s），P為空氣靜壓，單位是（Pa），ρ為駕駛艙內(nèi)的空氣密度，單位為（kg/m3），g則為重力加速度，單位是（m/s2），μ為動(dòng)力的黏度，單位是（Pa·s）。

計(jì)算選用的湍流模型為Realizable κ-ε模型[3-4]，其對應(yīng)的湍流動(dòng)能κ和其耗散率ε的運(yùn)輸方程分別為：

=μ++μ+-ρε? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

=μ++ρcE-ρc? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

E=2EE? ? E=+? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

在上述表達(dá)的3個(gè)公式中，其中u、u分別對應(yīng)的是x和x方向的時(shí)均速度。x為直角坐標(biāo)系的3個(gè)軸坐標(biāo)，μ為湍動(dòng)黏度，單位是（Pa·s），v為空氣運(yùn)動(dòng)的黏度，單位是（m2/s），E為時(shí)均應(yīng)變張力，其中一般取值為C=1.44，C=1.92，σ=1.0，σ=1.2。

2? 物理模型

本文將對夏季大型客機(jī)C919在地面狀態(tài)下艙內(nèi)空氣流動(dòng)特性和舒適性的數(shù)值模擬，利用繪圖軟件構(gòu)建客艙的二維模型，并對此進(jìn)行簡化。簡化之后的縱剖面如圖1所示。該模型主要有四部分構(gòu)成：行李架、機(jī)身、乘客和座椅。其中前后排距為820mm，行李架高度為1 620mm，天花板高度為2 220mm。3個(gè)送風(fēng)口設(shè)置在行李架下方，3個(gè)回風(fēng)口設(shè)置在旅客腳旁。我們可以繼續(xù)簡化模型，將乘客、座椅及行李架處理為壁面，由此得到計(jì)算域模型，如圖2所示。將簡化之后的二維模型導(dǎo)入到Mesh當(dāng)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3? 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

在CFD計(jì)算中采用的網(wǎng)格，按網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的鄰近關(guān)系大致可分為：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格[5]。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（如圖3所示）從嚴(yán)格的意義上來講，其網(wǎng)格內(nèi)部的點(diǎn)都是具有相同的單元，而且每個(gè)點(diǎn)都具有相同數(shù)量的鄰點(diǎn)。因此，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成速度要快很多[6]。并且結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相對簡單，質(zhì)量也比較穩(wěn)定，在流體和表面應(yīng)力集中計(jì)算當(dāng)中應(yīng)用廣泛。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的定義則與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的定義相對立。對于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（如圖4所示），網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點(diǎn)不具有相同的毗鄰單元[7]。所以這種非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的內(nèi)部相連單元的網(wǎng)格數(shù)目不同。因?yàn)閷?shí)際工程中物體多為不規(guī)則的幾何圖形，所以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格應(yīng)用更廣[8-9]。

劃分網(wǎng)格時(shí)（如圖5所示），選擇網(wǎng)格類型要根據(jù)實(shí)際模型和問題條件，綜合考慮幾何模型的形狀，借此做出最合理的判斷。本文研究的是客機(jī)座艙空氣流動(dòng)特性，因?yàn)槟Ｐ徒Y(jié)構(gòu)較為簡單故采用網(wǎng)格質(zhì)量較高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時(shí)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格還具有穩(wěn)定性好、收斂快和精確度高等其它優(yōu)點(diǎn)[10]。

4? 客艙內(nèi)部氣流速度場和溫度流場的數(shù)值模擬

4.1? 人體縱向剖面的數(shù)值模擬。本文主要介紹利用ANSYS Fluent軟件對C919客艙的簡化模型，并對其縱剖面進(jìn)行精確的數(shù)值模擬。對C919客艙的幾何模型內(nèi)部進(jìn)行了速度流場和溫度流場的詳細(xì)分析。并且利用Fluent中的CFD_Post軟件，對C919客艙數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行后處理。本文主要研究C919客艙空氣系統(tǒng)中送風(fēng)口的送風(fēng)角度對人體舒適性的影響。

分析中首先對比了機(jī)艙橫剖面內(nèi)氣流在不同送風(fēng)角度的情況下分別模擬了速度流場和溫度流場。為了更直觀地顯示出在不同角度下的送風(fēng)效果，在這里采用瞬態(tài)算法，步長為0.1s，時(shí)間步數(shù)為300，每個(gè)時(shí)間步迭代的次數(shù)限制為100，并對此進(jìn)行分析得到送風(fēng)角度舒適性區(qū)間的大致范圍。通過對速度流線軌跡圖當(dāng)中線的走向和速度云圖中各區(qū)域顏色的深淺，來判斷氣流分布和各區(qū)域氣流流動(dòng)的速度是否符合舒適性標(biāo)準(zhǔn)。并且通過對比不同送風(fēng)角度下模擬出的溫度云圖進(jìn)行對比，綜合評價(jià)客艙溫度分布情況對乘客舒適性的影響。

4.2? 速度云圖對比。設(shè)Y軸負(fù)半軸為0°，送風(fēng)角度向左為負(fù)，向右為正。在20°、25°、30°和35°的送風(fēng)角度下，客艙內(nèi)氣流的速度流線軌跡圖如圖6所示。

由于采用的是瞬態(tài)算法，所以在相同的時(shí)間內(nèi)，可以很容易地看出在不同角度下的送風(fēng)效果。已知送風(fēng)速度均為0.8m/s，從流線軌跡圖當(dāng)中可以清楚地看到不同送風(fēng)角度下客艙內(nèi)部氣流的流動(dòng)狀況。對比發(fā)現(xiàn)送風(fēng)角度為25°和30°時(shí)的射流比20°與35°的更平滑，流動(dòng)的氣流更集中在乘客附近，因此送風(fēng)角度為25°和30°的氣流流動(dòng)特性更好。由圖6可知在客艙內(nèi)主要有6個(gè)氣流旋渦，空調(diào)系統(tǒng)在25°與30°角度向下送風(fēng)時(shí)，射流較為集中地流向回風(fēng)口，部分氣流在向下流動(dòng)的過程中被座椅阻擋形成一個(gè)氣流旋渦，該旋渦在乘客前方形成一個(gè)良好的空氣循環(huán)，其速度大約為0.3m/s，這種風(fēng)速會(huì)給乘客帶來非常舒適的體驗(yàn)。在這股氣流的頂部，與出風(fēng)口的風(fēng)相遇，在右上角形成了另一個(gè)氣流旋渦。同樣的道理，也能得到其他4個(gè)氣流旋渦的形成。

各個(gè)送風(fēng)角度相應(yīng)的速度云圖如圖7所示。

通過對4張速度云圖進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)送風(fēng)角度位于20°到25°之間時(shí)，氣流流動(dòng)主要位于乘客右前方，在炎熱的夏季，既可以快速讓乘客感到?jīng)鏊?，也避免了冷氣距離乘客過近帶來的不適感，同時(shí)也形成了良好的空氣循環(huán);當(dāng)送風(fēng)角度位于30°到35°之間時(shí)，氣流流動(dòng)主要分布在座椅周圍，降溫效果不是特別明顯，在一定程度上造成了能量消耗，而且空氣流動(dòng)呈波浪線，氣流流動(dòng)不穩(wěn)定，并且在這個(gè)角度下后排乘客的空調(diào)風(fēng)會(huì)影響到前排乘客，難免會(huì)影響到前排乘客的乘坐體驗(yàn)，甚至?xí)鸩槐匾穆闊?。由此可以得出結(jié)論，在相同時(shí)間下，送風(fēng)角度在20°到25°之間時(shí)，降溫效果明顯，氣流特性較好，在炎熱的夏季容易得到乘客的青睞。

4.3? 溫度云圖對比。在客艙縱剖面數(shù)值模擬中，風(fēng)速和送風(fēng)溫度對舒適性有巨大的影響。本文設(shè)置壁面初始溫度為308K，送風(fēng)溫度為291K。如果在乘客周圍的空氣溫度在294K（21℃）左右，就可以認(rèn)為達(dá)到了降溫的目的。4個(gè)不同送風(fēng)角度下的溫度云圖如圖8所示。

對比上面的五張溫度云圖，送風(fēng)角度為20°和25°時(shí)，客艙內(nèi)的溫度下降較快;送風(fēng)角度為30°、35°時(shí)，溫度下降的則不是那么明顯。送風(fēng)角度為30°時(shí)，座艙內(nèi)熱量分布最均勻。從乘客舒適性的角度來看，送風(fēng)角度在30°時(shí)，乘客附近的空氣溫度大致為294K（21℃）;送風(fēng)角度為20°時(shí)，乘客附近的空氣溫度為293K左右;送風(fēng)角度為25°時(shí)，乘客附近的空氣溫度也在294K左右;送風(fēng)角度為35°時(shí)，乘客附近的空氣溫度比前面所有角度都高。

5? 結(jié)? 論

本文的主要工作內(nèi)容是運(yùn)用Fluent及其它一些軟件，對C919座艙內(nèi)的氣流流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)過對結(jié)果的分析與比較，可以得到在客艙縱軸剖面中，送風(fēng)角度為20°、25°、30°和35°的速度流線軌跡圖都會(huì)形成6個(gè)氣流旋渦，且送風(fēng)角度為25°和30°時(shí)的流線較20°、35°更平滑，25°角度又是這三個(gè)角度里面最好的。20°、25°和30°送風(fēng)時(shí)，射流都能較為集中地流向回風(fēng)口，在乘客周圍形成氣流旋渦，利于空氣對流循環(huán)，為座艙提供一個(gè)安全舒適的環(huán)境，而在這些角度中，25°送風(fēng)時(shí)座艙內(nèi)的氣流特性最好。在溫度云圖中，能夠清晰具體的看出乘客每個(gè)部位的氣流溫度，結(jié)合座艙溫度的舒適性標(biāo)準(zhǔn)，可以得到，與其他送風(fēng)角度相比，送風(fēng)角度為25°左右時(shí)，乘客附近氣流溫度為21攝氏度左右，是最舒適的。但由于計(jì)算量的緣故，并不能對每個(gè)角度都進(jìn)行具體分析，所以無法找到最佳角度。但是上述計(jì)算過程，也給飛機(jī)生產(chǎn)廠商帶來了思路。送風(fēng)角度的合理與否，對于乘客的舒適度體驗(yàn)也是不可或缺的一環(huán)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮力飛. 民用飛機(jī)客艙舒適性研究[J]. 科技展望，2016，26（14）：294.

[2] 初建杰，裴卉寧，余隋懷，等. 民機(jī)客艙舒適度評估指標(biāo)體系及評估方法研究[J]. 人類工效學(xué)，2017，23（3）：50-55.

[3] 李浩，韓啟彪，黃修橋，等. 基于多孔介質(zhì)模型下微灌網(wǎng)式過濾器CFD湍流模型選擇及流場分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2016，35（4）：14-19.

[4] 陳建磊，何利民，羅小明，等. 旋流分離器流場模擬研究方法優(yōu)化選擇[J]. 過程工程學(xué)報(bào)，2013，13（5）：721-727.

[5] 趙曉輝. 網(wǎng)格生成技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 西部皮革，2018，40（8）：88.

[6]? Santiago Badia， Alberto F Martín. A tutorial-driven introduction to the parallel finite element library FEMPAR v1.0.0[EB/OL]. （2019-12-13）[2020-08-30]. http：//data.mendeley.com/datasets/dtx487wp57/1.

[7]? Brendan Walsh， Fergal J Boyle. A preconditioned lattice Boltzmann flux solver for steady flows on unstructured hexahedral grids[EB/OL]. （2020）[2020-08-30]. https：//www.sciencedirect.com/science/article/s0045793020302061.

[8] 周龍泉. 非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格生成方法及其應(yīng)用研究[D]. 青島：山東科技大學(xué)（博士學(xué)位論文），2019.

[9] 董亮. 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)研究及應(yīng)用[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2010.

[10] 劉晶. 結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成、轉(zhuǎn)化及應(yīng)用[D]. 南京：南京理工大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2006.