大型民機座艙氣態(tài)污染物分布特性數(shù)值模擬研究

張盛 周瓊瑤

上海飛機設(shè)計研究院

0 引言

飛機座艙存在高人員密度、低新風(fēng)量、高密閉性的環(huán)境特點[1]，污染物的傳播可能嚴(yán)重影響乘員及機組人員的健康和舒適性。座艙通風(fēng)系統(tǒng)對于座艙污染物傳播規(guī)律、控制座艙污染物濃度具有重要的影響[2-3]。劉靜悅[4]采用CFD 技術(shù)研究了某型單通道客艙在不同氣流組織方案下的空氣品質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)天花板送風(fēng)加個人噴口送風(fēng)能提供更好的客艙空氣品質(zhì)。李衛(wèi)娟[5]提出了個性化座椅通風(fēng)系統(tǒng)，并采用CFD 技術(shù)對比分析了傳統(tǒng)混合送風(fēng)方式和個性化座椅送風(fēng)方式，研究發(fā)現(xiàn)個性化座椅送風(fēng)系統(tǒng)能有效降低客艙內(nèi)的平均污染物濃度，降低乘客交叉感染的幾率。李炳燁[6]在MD-82 飛機實驗平臺上研究了個性化送風(fēng)噴口對示蹤模擬污染物傳播特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)個性化送風(fēng)較大的送風(fēng)速度會劇烈影響座艙內(nèi)的整體氣流，在座艙橫向方向上開啟的個性化送風(fēng)口形成“空氣幕”從而有效阻礙污染物傳播。李彎彎[7]建立了基于波音737的飛機客艙仿真模型，運用CFD 技術(shù)分析了送風(fēng)速度下對客艙空氣品質(zhì)的影響，研究中將氣態(tài)污染物CO2作為研究對象，研究表明隨著送風(fēng)速度增大，CO2擴(kuò)散趨勢更加明顯，同時由于送風(fēng)氣流的稀釋作用增強，CO2濃度隨送風(fēng)速度增大而降低。

本文以某型雙通道大型客機座艙為研究對象，通過合理化簡化模型，建立不同通風(fēng)系統(tǒng)下的數(shù)值模擬模型，對比分析寬體客機座艙不同通風(fēng)系統(tǒng)方案下氣態(tài)污染物分布特性，為寬體客機通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計和空氣品質(zhì)改善提供參考。

1 幾何模型和網(wǎng)格模型建立

本文研究的飛機座艙為雙通道寬體客機，座位分布為3-4-3。本文合理簡化了座艙物理模型，保留座艙內(nèi)部的座椅、乘客、行李架，艙壁通過簡化保留了進(jìn)出風(fēng)口、燈、窗戶。同時，考慮到座艙內(nèi)部流動的周期性，以及模型的左右對稱特征，本文對三排座位的飛機座艙進(jìn)行建模，且選擇右側(cè)對稱模型進(jìn)行研究。座艙的幾何模型如圖1 所示。

圖1 座艙簡化模型

針對該飛機座艙設(shè)計了四種不同的氣流組織，分別為天花板混合通風(fēng)（Ceiling Supply Mixing Ventilation,CMV）、側(cè)壁混合通風(fēng)（Sidewall Supply Mixing Ventilation,SMV）、地板置換通風(fēng)（Under-floor Displacement Ventilation,FDV）、側(cè)壁置換通風(fēng)（Sidewall Displacement Ventilation,SDV）。具體的送風(fēng)口、排風(fēng)口位置及幾何尺寸如表1 所示。

表1 氣流組織供排氣口尺寸

本文選用ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意圖如圖2 所示。為保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對座艙內(nèi)部流場變化較為劇烈的部分進(jìn)行加密，如對風(fēng)口位置、口鼻位置、人體周圍等，本文數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)目約為400 萬。

圖2 網(wǎng)格模型

2 邊界條件設(shè)置

座艙內(nèi)主要污染物是人體由于新陳代謝產(chǎn)生的CO2、水汽和其他的氣味。人體散發(fā)的氣味雖然沒有毒性但也會造成不適感，而CO2的濃度控制不當(dāng)就會對人體健康造成威脅，當(dāng)CO2濃度達(dá)到2%時會使得人體呼吸速率加快，當(dāng)濃度達(dá)到5%會使呼吸變得短促，當(dāng)濃度達(dá)到10%將使人窒息[8]。因此，本文選擇人體呼吸產(chǎn)生的CO2作為污染源進(jìn)行研究。

計算設(shè)置如下：

1）座艙內(nèi)的流體設(shè)置為不可壓縮理想氣體。

2）送風(fēng)口：送風(fēng)口邊界設(shè)置為速度入口，送風(fēng)口的送風(fēng)速度由送風(fēng)風(fēng)量和送風(fēng)口面積共同決定，送風(fēng)風(fēng)量為8 L/(人·s)；送風(fēng)溫度為292.15 K；CO2的摩爾分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.085%[9]。

3）排風(fēng)口：排風(fēng)口邊界設(shè)置為壓力出口。

4）人體口鼻：設(shè)置為速度入口，氣體流速為0.1 m/s，為主要的CO2污染源，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為5%，溫度為304.15 K。

5）內(nèi)部壁面：座艙內(nèi)部壁面、人體、座椅均設(shè)置為無滑移且忽略壁厚的固體壁面（Wall）。各壁面邊界的具體設(shè)置參數(shù)參考文獻(xiàn)[10-11]，如表2 所示。

表2 壁面邊界的設(shè)置參數(shù)

6）座艙前后端面：座艙的前后端面設(shè)置為周期性邊界。

7）座艙的中間面：座艙的中間面設(shè)置為對稱邊界。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 速度場分析

各混合通風(fēng)系統(tǒng)下速度場分布如圖3 所示?；旌贤L(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口布置對座艙內(nèi)的速度分布具有較大的影響：在CMV 系統(tǒng)下，來自于天花板供風(fēng)口的高速氣流在供風(fēng)口的射流動量驅(qū)動下送入座艙，因此過道處的流速較高。在SMV 系統(tǒng)下，來自于行李架側(cè)壁供風(fēng)口的氣流水平向座艙內(nèi)送風(fēng)，由于送風(fēng)角度和壁面的影響，進(jìn)入座艙內(nèi)的新鮮空氣沿著座艙壁面向天花板頂部運動，因此，座艙內(nèi)乘客區(qū)的風(fēng)速較低。

圖3 混合通風(fēng)系統(tǒng)下在截面X=1.45 m 上的速度場

各置換通風(fēng)系統(tǒng)下的速度場如圖4 所示。置換通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口位置對座艙內(nèi)的速度分布也具有較大的影響。但是，置換通風(fēng)系統(tǒng)下，座艙內(nèi)大部分區(qū)域的風(fēng)速都控制在較低水平（0.35 m/s 以下）。在FDV 系統(tǒng)下，由于地板供風(fēng)口仍具有較大射流動量，因此過道處的局部風(fēng)速較高。在SDV 系統(tǒng)下，新鮮空氣由地板上方側(cè)壁處的供氣口水平送入座艙，因此在送風(fēng)口附近有明顯的“高速”區(qū)，并且從右至左速度呈現(xiàn)出遞減趨勢。

圖4 置換通風(fēng)系統(tǒng)下在截面X=1.45 m 上的速度場

3.2 污染物濃度場分析

3.2.1 混合通風(fēng)系統(tǒng)的污染物分布特性

圖5 表示各混合通風(fēng)系統(tǒng)下Z=1.1 m 的CO2濃度場，圖中顯示的是CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。民用飛機座艙內(nèi)CO2的限定值為5000ppm[12]，即飛機座艙內(nèi)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.0075。對比分析各混合通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，座艙內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.0075，但是送風(fēng)口的位置對座艙內(nèi)CO2的排除和分布具有較大影響。在CMV 系統(tǒng)中，由于新鮮空氣直接輸送過道附近，因此過道和3 號乘客周圍的CO2濃度較低，而4、5 號乘客呼吸區(qū)附近的CO2濃度比較高。在SMV 系統(tǒng)中，由于新鮮空氣沿著座艙壁經(jīng)天花板輸送至1 號乘客周圍，因此1 號乘客呼吸區(qū)的CO2濃度最低，而3、4 號乘客呼吸區(qū)附近的CO2濃度比較高。

圖5 混合通風(fēng)系統(tǒng)下Z=1.1 m 的污染物濃度場

3.2.2 置換通風(fēng)系統(tǒng)的污染物分布特性

圖6 表示各置換通風(fēng)系統(tǒng)下Z=1.1 m 的CO2濃度場，圖中顯示的是CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖發(fā)現(xiàn)，置換通風(fēng)系統(tǒng)下的CO2濃度明顯低于混合通風(fēng)系統(tǒng)下的CO2濃度，且座艙內(nèi)的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于0.003。同時，每一位乘客口鼻附近的CO2濃度都較低。因此，置換通風(fēng)系統(tǒng)能為座艙提供更優(yōu)的空氣品質(zhì)。

圖6 置換通風(fēng)系統(tǒng)下Z=1.1 m 的污染物濃度場

3.2.3 座艙內(nèi)各水平面上污染物濃度特征

為了進(jìn)一步定量分析飛機座艙內(nèi)各水平面內(nèi)的污染物濃度分布狀況，對垂直方向上CO2濃度分布的特性進(jìn)行分析討論，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可見，在所有的垂直高度內(nèi)，置換通風(fēng)系統(tǒng)下的污染物濃度均明顯低于混合通風(fēng)系統(tǒng)，并且FDV 系統(tǒng)在任意高度上的平均CO2濃度最低。

圖7 各通風(fēng)系統(tǒng)垂直方向上的平均CO2 摩爾分?jǐn)?shù)

4 總結(jié)

本文通過對某型雙通道寬體飛機座艙內(nèi)的氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了混合通風(fēng)系統(tǒng)和置換通風(fēng)系統(tǒng)下座艙內(nèi)的CO2污染物濃度場的分布特性。研究結(jié)果表明：

1）混合通風(fēng)系統(tǒng)通過新鮮空氣的“稀釋”作用，盡量降低呼吸區(qū)附近的污染物，因此在流動停滯區(qū)域易造成污染物的堆積，不同的送風(fēng)口布置位置污染物堆積區(qū)域也有所區(qū)別，對于CMV 系統(tǒng)，容易在遠(yuǎn)離過道的區(qū)域易造成污染物堆積，對于SMV 系統(tǒng)，過道附近乘客呼吸區(qū)的污染物濃度較高。

2）混合通風(fēng)系統(tǒng)和置換通風(fēng)系統(tǒng)下座艙內(nèi)的CO2濃度滿足CCAR25 部條款要求，但是送風(fēng)口的位置對座艙內(nèi)CO2的排除和分布具有較大影響，總體而言，置換通風(fēng)系統(tǒng)下座艙內(nèi)的污染物濃度更低，空氣品質(zhì)更好，其中當(dāng)送風(fēng)口設(shè)置于過道時即FDV 系統(tǒng)下的空氣品質(zhì)最佳。

本文以人體呼吸產(chǎn)生的CO2為污染源，對比分析了不同送風(fēng)系統(tǒng)對座艙空氣品質(zhì)的影響，僅CO2濃度分布這一項指標(biāo)而言，將送風(fēng)口設(shè)置于地板即采用下送上回的送風(fēng)方式最優(yōu)。通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計還應(yīng)綜合考慮吹風(fēng)感、熱舒適性等多項指標(biāo)。本文的研究方法和研究結(jié)果能為后續(xù)大型客機座艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化、及空氣質(zhì)量提升研究提供一定的理論基礎(chǔ)和方法支持。