一種清除引氣污染物的空調(diào)梯形信號送風(fēng)方法

周立祥，林家泉

中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300

據(jù)統(tǒng)計(jì)，民航飛機(jī)在起飛、滑行、降落階段會排放大量的NOx、CO、SO2、細(xì)顆粒物（PM2.5）等空氣污染物［1］，致使機(jī)坪空氣品質(zhì)降低。飛機(jī)起飛前需要在跑道外等待20 min左右，這期間，飛機(jī)引氣系統(tǒng)會將機(jī)坪大量的空氣污染物直接帶入客艙，這些引氣污染物難以通過再循環(huán)風(fēng)扇快速濾除［2］，乘客長時間暴露在這種環(huán)境中將會出現(xiàn)健康問題［3］。因此，如何快速清除客艙內(nèi)部的引氣污染物對乘客及機(jī)組人員的健康具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對于飛機(jī)客艙內(nèi)污染物的擴(kuò)散已有不少研究，包括不同送風(fēng)方式下污染物的擴(kuò)散規(guī)律研究，代炳榮等［4］研究了不同污染物在不同送風(fēng)方式下的分布情況，得出天花板送風(fēng)方式和個性化送風(fēng)方式有較好的排污效果；陳希遠(yuǎn)等［5］研究表明，在混合送風(fēng)方式下有助于空氣污染物的擴(kuò)散，而天花板送風(fēng)方式會抑制空氣污染物在客艙內(nèi)大范圍擴(kuò)散；楊建忠等［6］研究了不同送風(fēng)方式下改變再循環(huán)風(fēng)比例對引氣污染物的擴(kuò)散影響，發(fā)現(xiàn)增加再循環(huán)風(fēng)比例可以提高天花板送風(fēng)方式和混合送風(fēng)方式的排污效率。但是這些研究都是采用常規(guī)的客艙空調(diào)恒值信號送風(fēng)，存在不能快速清除客艙內(nèi)污染物的問題。

增加客艙空調(diào)的通風(fēng)量是一個有效提高客艙內(nèi)污染物排除速率的方法［7-10］。但是，客艙空調(diào)通風(fēng)量的提高會造成飛機(jī)燃油消耗增加。Mesenh?ller等［11］對非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)可以增強(qiáng)室內(nèi)空氣的混合效果，并可以防止室內(nèi)形成穩(wěn)定的大渦，從而在不增加通風(fēng)量的同時改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)。Wu和Ahmed［12］提出客艙空調(diào)使用方波信號送風(fēng)，新鮮空氣進(jìn)入客艙后會持續(xù)震蕩，增強(qiáng)了新鮮空氣與客艙空氣的混合效果，在不增加通風(fēng)量的同時提高了排污效果；但該方案并沒有考慮乘客的熱舒適性。林家泉和戴仕卿［2］對比了方波信號送風(fēng)和恒值信號送風(fēng)在不同送風(fēng)方式下的排污效率，發(fā)現(xiàn)方波信號送風(fēng)具有更好的排污效果，但存在乘客熱舒適性較差的問題。林家泉等［13］研究得出客艙空調(diào)采用正弦信號送風(fēng)解決了方波信號送風(fēng)乘客熱舒適性較差的缺點(diǎn)，但排污效果較恒值信號送風(fēng)提升較小。

綜上所述，為了在不增加通風(fēng)量的前提下提高客艙空調(diào)對客艙內(nèi)引氣污染物的排除效果并保證乘客熱舒適性，提出客艙空調(diào)梯形信號送風(fēng)。模擬計(jì)算客艙空調(diào)使用梯形信號送風(fēng)與恒值信號送風(fēng)在天花板送風(fēng)、側(cè)壁送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下的艙內(nèi)流場特征及空氣污染物的擴(kuò)散規(guī)律。在相同邊界條件下采用等效稀釋通風(fēng)量指標(biāo)來評估梯形信號送風(fēng)、恒值信號送風(fēng)、正弦信號送風(fēng)、方波信號送風(fēng)的排污效果，并考慮采用非穩(wěn)態(tài)送風(fēng)，變化的風(fēng)速會導(dǎo)致乘客周圍流場波動，可能會對乘客造成不適，故結(jié)合吹風(fēng)感指標(biāo)（Draft Rating，DR）評估乘客熱舒適性，從而找出飛機(jī)客艙空調(diào)的最佳送風(fēng)工況，以期為快速清除客艙內(nèi)引氣污染物提供參考依據(jù)。

1 客艙模型

1.1 飛機(jī)客艙CFD模型

采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)，建立Boeing737飛機(jī)經(jīng)濟(jì)艙仿真模型?？团撃Ｐ鸵妶D1。

圖1 客艙模型Fig.1 Model of cabin

客艙頂部有2條天花板送風(fēng)口，行李架邊沿共有10條側(cè)壁送風(fēng)口，地板處共有10條排風(fēng)口，過道兩側(cè)分布著5排6列共30個座位。使用四面體劃分法對整個客艙模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在送風(fēng)口、排風(fēng)口等復(fù)雜流場區(qū)域精細(xì)化網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證以排除網(wǎng)格數(shù)量對仿真計(jì)算的影響，劃分網(wǎng)格數(shù)量為534萬個。

1.2 數(shù)值模型

使用CFD技術(shù)對飛機(jī)客艙進(jìn)行仿真，在湍流計(jì)算中使用湍流模型RNGk-?可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，湍流模型的控制方程［14］為

1.3 客艙CFD模型驗(yàn)證

使用粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術(shù)測得實(shí)驗(yàn)艙風(fēng)速場，并將其與仿真得到的結(jié)果進(jìn)行對比以驗(yàn)證客艙模型的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)艙如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)艙Fig.2 Experimental cabin

使用煙霧發(fā)生器產(chǎn)生平均粒徑為1.5 μm的顆粒作為示蹤粒子，從實(shí)驗(yàn)艙的天花板送風(fēng)口、側(cè)壁送風(fēng)口送入實(shí)驗(yàn)艙，然后在第2排與第3排中間使用相機(jī)采集流場數(shù)據(jù)，單次采集區(qū)域大小為900 mm×600 mm，再利用數(shù)據(jù)處理將采集到的各區(qū)域進(jìn)行拼接處理得到風(fēng)速場，并將其與CFD仿真得到的風(fēng)速場進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果得到的氣流運(yùn)動特征基本一致。因此，可以認(rèn)為該客艙模型準(zhǔn)確可靠。

圖3 PIV實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果Fig.3 PIV experiment and simulation results

1.4 仿真邊界條件設(shè)定

模擬計(jì)算中選取NO2為空氣污染物，先向客艙通入50 s空氣，其中包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5×10-5的NO2，然后持續(xù)200 s送入新鮮空氣進(jìn)行排污?？团摽照{(diào)在恒值信號送風(fēng)和梯形信號送風(fēng)下送風(fēng)量一致，送風(fēng)信號以50 s為一個周期，進(jìn)行250 s，5個完整周期的送風(fēng)，各工況下各送風(fēng)口送風(fēng)速度如表1所示，表中t的單位為s。其中混合送風(fēng)方式為側(cè)壁送風(fēng)口與天花板送風(fēng)口同時工作。

表1 送風(fēng)速度Table 1 Air supply speed

以側(cè)壁送風(fēng)方式為例，客艙空調(diào)梯形信號送風(fēng)和恒值信號送風(fēng)風(fēng)速圖如圖4所示。

圖4 側(cè)壁送風(fēng)下2種信號送風(fēng)速度Fig.4 Two signal air supply velocities in side wall air supply mode

2 客艙仿真結(jié)果

對比研究客艙空調(diào)采用恒值信號送風(fēng)和梯形信號送風(fēng)時，在天花板送風(fēng)、側(cè)壁送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下對客艙進(jìn)行250 s、包含5個完整周期的送風(fēng)，且每個周期內(nèi)不同工況下的總送風(fēng)量保持一致。

2.1 流場渦結(jié)構(gòu)模擬

渦旋會導(dǎo)致客艙內(nèi)某些區(qū)域空氣污染物濃度較高，出現(xiàn)空氣污染物“鎖定”現(xiàn)象［15］，在以渦量為主的流場區(qū)域，客艙中空氣污染物更易聚集，難以被排出艙外［16-17］；客艙流場的變化對艙內(nèi)污染物的傳播具有重要影響［18］。所以，采用Omega渦識別方法，觀測客艙流場渦結(jié)構(gòu)的變化，計(jì)算公式［19］為

式中：A為流場運(yùn)動的變形部分；B為流場運(yùn)動的渦量部分；ε為極小正數(shù)，用以防止出現(xiàn)零除零現(xiàn)象；Ω為渦量平方除以渦量平方和變形平方之和的比值。

由于渦旋在流體運(yùn)動中始終為渦量和變形量的混合，當(dāng)Ω≥0.52時認(rèn)為該區(qū)域形成了渦旋且數(shù)值越大渦強(qiáng)度越高。

圖5為3種送風(fēng)方式下，客艙空調(diào)采用恒值信號送風(fēng)時，不同時刻客艙第2排乘客與第3排乘客之間的流場渦結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，Ω≥0.52的區(qū)域?yàn)闇u旋區(qū)域，客艙空調(diào)使用恒值信號送風(fēng)時，天花板送風(fēng)方式下，客艙中渦主要集中在客艙兩側(cè)，大渦穩(wěn)定存在，只有較小的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。側(cè)壁送風(fēng)方式下，渦主要分布在客艙兩側(cè)，t=200 s時，客艙兩側(cè)存在的2個大渦，t=225， 250 s時，客艙兩側(cè)的大渦消失，出現(xiàn)幾個較小的渦，但是位置未發(fā)生明顯改變?；旌纤惋L(fēng)方式下，t=200， 225 s時，渦主要分布在客艙兩側(cè)，過道位置處較少，t=250 s時，客艙中渦分布更為零散，過道位置形成更多的渦。綜上所述，客艙空調(diào)采用恒值信號送風(fēng)，流場渦結(jié)構(gòu)變化較明顯的是混合送風(fēng)方式，變化最為平緩的是天花板送風(fēng)方式。

圖5 采用恒值信號送風(fēng)時客艙內(nèi)部流場渦結(jié)構(gòu)Fig.5 Vortex structure of mixed air supply mode at cabin interior （constant value signal）

圖6為客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)時，3種送風(fēng)方式下、不同時刻客艙第2排乘客與第3排乘客之間的流場渦結(jié)構(gòu)圖。

圖6 采用梯形信號送風(fēng)時客艙內(nèi)部流場渦結(jié)構(gòu)Fig.6 Vortex structure of mixed air supply mode at cabin interior （trapezoidal signal）

天花板送風(fēng)方式下，渦結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，t=200 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度；t=225 s時，渦主要分布在客艙兩側(cè)乘客軀干高度；t=250 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度。側(cè)壁送風(fēng)方式下，t=200 s時，渦的分布較為零散，以小面積渦的形式存在；t=225 s時，客艙地板位置處形成了一個橫跨過道的大渦；t=250 s時，渦以小面積的形式零散的分布在客艙兩側(cè)及天花板位置?；旌纤惋L(fēng)方式下，t=200 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度及客艙兩側(cè)地板位置處；t=225 s時，在客艙兩側(cè)乘客頭頂高度形成2個大渦，并在天花板、過道、地板形成多個較小的渦；t=250 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度及客艙兩側(cè)地板位置處。

綜上所述，客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)比采用恒值信號送風(fēng)的流場渦結(jié)構(gòu)變化更為明顯，其中變化最明顯的是客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)時的天花板送風(fēng)方式。

2.2 污染物濃度場模擬

圖7為t=250 s時客艙空調(diào)使用2種送風(fēng)信號在3種送風(fēng)方式下的乘客呼吸區(qū)客艙橫截面空氣污染物NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖。

圖7 t=250 s時恒值信號、梯形信號送風(fēng)下呼吸區(qū)截面NO2分布Fig.7 Distribution of NO2 in respiratory area with onstant value signal and trapezoidal signal air supply at t=250 s

對比客艙空調(diào)使用梯形信號送風(fēng)與恒值信號送風(fēng)，在同種送風(fēng)方式下，采用梯形信號送風(fēng)時乘客呼吸區(qū)污染物濃度較低?？团摽照{(diào)采用恒值信號送風(fēng)時，天花板送風(fēng)方式下的乘客呼吸區(qū)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，混合送風(fēng)方式下的乘客呼吸區(qū)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低；客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)時，側(cè)壁送風(fēng)方式下的乘客呼吸區(qū)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，天花板送風(fēng)方式下的乘客呼吸區(qū)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。飛機(jī)客艙空調(diào)在不同工況下呼吸區(qū)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖8所示。

圖8 客艙呼吸區(qū)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.8 Mass fraction of NO2 in respiratory area

由圖8可得，在乘客呼吸區(qū)，客艙空調(diào)使用梯形信號送風(fēng)相比于恒值信號送風(fēng)，在天花板送風(fēng)、側(cè)壁送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了45.2%、20.6%、22.9%。

綜上所述，在乘客呼吸區(qū)，梯形信號送風(fēng)比恒值信號送風(fēng)有更好的排污效果，其中客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)時的天花板送風(fēng)方式具有最佳的排污效果。結(jié)合流場渦結(jié)構(gòu)分析可知，梯形信號送風(fēng)具有更好的混合空氣的效果，其變化的流場可以打破采用恒值信號送風(fēng)時存在的空氣滯留區(qū)，從而有利于污染物的清除。

3 客艙排污效果評價

使用等效稀釋通風(fēng)量指標(biāo)來評價客艙空調(diào)在采用梯形信號送風(fēng)下的排污效果，并與客艙空調(diào)采用恒值信號送風(fēng)、正弦信號送風(fēng)、方波信號送風(fēng)進(jìn)行對比。

在經(jīng)典的全面通風(fēng)理論中，假定艙外向艙內(nèi)通入新風(fēng)可以瞬間與艙內(nèi)原帶有污染物的空氣均勻混合，再將混合后的氣體排出艙外，從而稀釋污染物濃度。通風(fēng)后的艙內(nèi)污染物濃度可以通過仿真得到，并可反推出此次通風(fēng)等效的理想狀態(tài)下的通風(fēng)量，通風(fēng)量的計(jì)算公式［20］為

客艙空調(diào)在不同工況下等效稀釋通風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖可知，客艙空調(diào)采用的梯形信號送風(fēng)相比于采用恒值信號送風(fēng)，在天花板送風(fēng)、側(cè)壁送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下等效稀釋通風(fēng)量分別提高了78.2%、34.3%、23.1%。其中，采用梯形信號送風(fēng)時，天花板送風(fēng)方式具有最高的等效稀釋通風(fēng)量。因此，可以判斷客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)比采用恒值信號送風(fēng)有更好的排污效果。

圖9 不同工況的等效稀釋通風(fēng)量Fig.9 Diluting flow rates under different conditions

在相同邊界條件下，將客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)與正弦信號送風(fēng)和方波信號送風(fēng)進(jìn)行對比，如圖9所示，客艙空調(diào)使用梯形信號送風(fēng)排污效果要劣于方波信號送風(fēng)，但優(yōu)于正弦信號送風(fēng)。

4 乘客熱舒適性分析

客艙空調(diào)使用非穩(wěn)態(tài)信號送風(fēng)（梯形信號送風(fēng)、方波信號送風(fēng)和正弦信號送風(fēng)）會產(chǎn)生風(fēng)速的波動，導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增加，致使人體吹風(fēng)感加強(qiáng)，從而引起乘客不適。因此，以吹風(fēng)感指數(shù)DR為指標(biāo)，評價不同工況下乘客的熱舒適性，按照美國空氣質(zhì)量和溫度控制協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 113-2013要求DR＜20%，計(jì)算公式［13］為DR=(34-ti)(vi-0.05)0.62(0.37viTu+3.14)（4）式中：vi為監(jiān)測位置空氣流速；ti為監(jiān)測位置空氣溫度；Tu為監(jiān)測位置湍流強(qiáng)度。

由于空調(diào)非穩(wěn)態(tài)信號送風(fēng)風(fēng)速不斷變化的特性，選擇其送風(fēng)速度達(dá)到高風(fēng)速階段的時間，分別計(jì)算5排乘客位置處的DR值。圖10為不同工況下各排乘客位置處DR值。由圖10可知，空調(diào)采用方波信號送風(fēng)在天花板送風(fēng)方式下和混合送風(fēng)方式下，乘客周圍的DR值均高于20%，不符合熱舒適性要求?？团摽照{(diào)使用梯形信號送風(fēng)、正弦信號送風(fēng)、恒值信號送風(fēng)，乘客位置處的DR值均低于20%，符合乘客熱舒適性的要求。

圖10 乘客周圍截面吹風(fēng)感指數(shù)（DR）Fig.10 DR of cross section around passengers

5 結(jié)論

在所設(shè)定仿真邊界條件下，對比飛機(jī)客艙空調(diào)使用梯形信號送風(fēng)、恒值信號送風(fēng)在天花板送風(fēng)方式、側(cè)壁送風(fēng)方式、混合送風(fēng)方式下的流場結(jié)構(gòu)。使用等效稀釋通風(fēng)量指標(biāo)、吹風(fēng)感指標(biāo)評估客艙空調(diào)在不同工況下的對空氣污染物NO2排除效果及乘客熱舒適性，得到以下結(jié)論：

1） 相比于恒值信號送風(fēng)，客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)使客艙流場變化更為劇烈，具有更好的混合艙內(nèi)空氣的效果，從而可提高客艙中空氣污染物的清除效果。

2） 在乘客呼吸區(qū)，客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)具有比恒值信號送風(fēng)更好的排污效果，其中梯形信號送風(fēng)下的天花板送風(fēng)方式具有最佳的排污效果。相比于恒值信號送風(fēng)，梯形信號送風(fēng)在天花板送風(fēng)、側(cè)壁送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了45.2%、20.6%、22.9%。

3） 采用梯形信號送風(fēng)擁有比恒值信號送風(fēng)更好的客艙排污效果，其中，梯形信號送風(fēng)下天花板送風(fēng)方式具有最好的排污效果。相比于恒值信號送風(fēng)，梯形信號送風(fēng)在天花板送風(fēng)、側(cè)壁送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下等效稀釋通風(fēng)量分別提高了78.2%、34.3%、23.1%。

4） 客艙空調(diào)采用梯形信號送風(fēng)在乘客周圍具有較高的吹風(fēng)感，但其DR值仍然低于20%，符合乘客熱舒適性的要求。

5） 客艙空調(diào)使用非穩(wěn)態(tài)信號送風(fēng)的排污效果優(yōu)于恒值信號送風(fēng)，其中方波信號送風(fēng)排污效果最佳，但使用方波信號送風(fēng)在天花板送風(fēng)方式、混合送風(fēng)方式時乘客位置處的DR值高于20%，不符合乘客熱舒適性的要求；客艙空調(diào)使用梯形信號送風(fēng)排污效果優(yōu)于正弦信號送風(fēng)。