MD-82飛機客艙環境流場的HWA測量與分析

王 維，姜 楠，曹曉東，沈 忱，劉俊杰

(1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 天津市現代工程力學重點實驗室，天津 300072；3. 天津大學環境科學與工程學院，天津 300072)

MD-82飛機客艙環境流場的HWA測量與分析

王 維1,2，姜 楠1,2，曹曉東3，沈 忱3，劉俊杰3

(1. 天津大學機械工程學院，天津 300072；2. 天津市現代工程力學重點實驗室，天津 300072；3. 天津大學環境科學與工程學院，天津 300072)

使用熱線測速技術以高于湍流最小時間尺度的分辨率，精細測量了MD-82飛機客艙環境中的條縫型送風口射流流場和個性化送風口射流流場．對流場的平均速度剖面、湍流度分布、湍能譜進行了分析．平均速度的變化揭示了離開出口后流場速度的衰減規律．湍流度表明了湍流流場脈動劇烈程度和湍流擴散發展規律，是各種尺度的脈動分量疊加的結果．對流場的湍能譜分析展現了慣性子區的存在，能量從大尺度的含能區通過慣性子區傳遞給小尺度結構并最終耗散為熱能．

湍射流；熱線測速技術；湍能譜；機艙環境

射流是指流體從各種形式的孔口或噴嘴射入同一種或另一種流體的流動．眾多學者[1-4]也對各種出口的射流進行了大量的研究，發現射流有著很強的混合與卷吸周圍流體的能力．在封閉高速運輸工具艙室空間(例如大型民用客機座艙和高鐵客廂)中，空調環控系統通過布置送、排風口合理分配新鮮空氣，形成特定的氣流組織形式，保證乘客的呼吸需要和熱舒適等健康需要．大型民用客機環控系統需要提供的客艙通風量約是每位乘客10,L/s，處理過的新鮮空氣通過送風口送入客艙，形成自由射流．自由湍射流是自然界和工程技術中廣泛應用的流動形態，例如內燃機燃燒室中燃料的噴射過程、噴氣發動機中氣體的噴出和射流清洗等．研究自由湍射流中流體的形態結構不僅是湍流基礎研究的前沿課題[5-6]，而且對解決工程技術中的有關問題具有重要意義[7-8]．民用客機送風口的自由湍射流具有特殊性，座艙里有布置在兩側或頂棚的集中空調系統的送風口(一般是條縫型)，也有布置在乘客頭上的可調圓形個體送風口；集中送風口一般是一種低速、強烈脈動的流動，但是個體風口一般是高速脈動的氣流形式．

本文使用譜分析[9-11]研究客機座艙里的側壁面和座位上方的兩種送風口下的湍射流流場中的湍流結構統計特性，利用湍流結構的自相似性，得到湍流結構之間的能量傳遞規律．對于存在強剪切和大尺度相干結構的射流流體和環境靜止流體交界處的自由射流邊界層中的湍流結構特性目前還缺乏深入的研究，開展這方面的研究不僅對于揭示剪切湍流中大小尺度之間能量傳遞的規律具有重要意義，而且對于解決工程技術中的湍流大小尺度結構控制問題具有重要的參考價值．

1 實驗裝置和測試技術

本文的目的是測量MD-82飛機(如圖1所示)的客艙送風口射流在客艙環境流場中的發展演化．實驗使用美國TSI公司生產的IFA300恒溫式熱線風速儀進行流場的測量(如圖2所示)．IFA300恒溫熱線風速儀是一種計算機控制的具有自動頻率最佳化功能的熱線風速儀，允許風速儀連續地感受流動速度并自動地調整動態響應，能夠實時地實現最佳化頻率響應．IFA300恒溫熱線風速儀的主要特點表現在：操作簡便；SMARTTUNE最佳化電橋補償自動鎖定最佳的采樣頻率，不需要在實驗前做方波實驗；頻率響應范圍寬，最高可到700,kHz，能夠分辨湍流中的最小尺度；測量速度范圍廣，從每秒幾厘米到幾十米；用途多，更換幾個配件，就能測量流場的溫度信號等.

圖1 實驗平臺MD-82飛機Fig.1 Experimental platform MD-82 airplane

圖2 IFA300熱線風速儀Fig.2 IFA300 hot wire anemometer

在流場中放置通過電流的金屬絲敏感元件(見圖3)時，由于電流的熱效應金屬絲會產生一定的熱量，它在與周圍流場的熱交換過程中，流體流速的變化導致敏感組件的溫度變化，繼而引起其電阻的變化．在一定電路的配置下，可以建立起流體速度與電信號的對應關系．這樣就可以通過測量熱線的電壓來確定流體的速度，這就是熱線風速儀的工作原理．

圖3 單絲熱線探針Fig.3 Monofilament hot wire probe

在熱線測量速度的過程(見圖4)中，熱線探針感受流場速度的變化，產生電壓的改變，熱線風速儀將改變的電壓通過Wheatstone電橋電路采集下來，A/D數模轉換器將電壓模擬信號轉換成數字信號傳給采集卡，將電壓以離散的數字信號記錄到電腦硬盤中，再通過配套的Thermalpro軟件按照標定文件的電壓和流速的關系曲線將電壓信號最終轉換為速度信號，提供給實驗后處理和分析．

圖4 采集過程流程Fig.4 Acquisition process flow chart

實驗分別測量了機艙中側邊面的條縫型送風口流場和座位正上方的圓形個性化送風口流場，其中側壁面的測量現場如圖5所示．

圖6和圖7分別是側壁面送風口和個性化送風口射流流場測量位置的示意．側壁面送風口邊界形狀是有曲率的一段圓弧，隨著弧的彎曲方向測量了3個位置，距離圓弧出口為r=3,mm，然后在弧的中心B′處沿流向測量了4個位置．個性化送風口射流出口沿軸向測量了6個位置，其中在3個軸向位置處測量沿徑向分布的3個位置，分別是圓心、R/2和R外．兩次測量中，采樣頻率均為50,kHz，每個空間點采集4,194,304個數據，耗時84,s．有在文中給出)．

圖5 送風口流場實驗測量配置Fig.5 Experimental measurement configuration of slit flow

圖6 側壁面測量示意Fig.6 Sidewall measurement schematic diagram

圖7 個性化送風口射流測量示意Fig.7 Personalized jet measurement schematic diagram

圖9 是與圖8中相同位置的4個點處的湍流度Tu分布，曲線是擬合的結果．圖中的湍流度沿徑向向下游不斷增加，表明流體從狹長的弧形縫中射出，在與周圍靜止的流體交界處不斷地發生摻混和動量交換．隨著湍流向下游擴散，這種動量交換擴散的區域越來越大．圖8和圖9表明，流體動能從平均運動向湍流脈動運動的傳遞使湍動能增大，平均運動的動能減少．

圖8 側壁面出口沿流向速度剖面Fig.8 Sidewall outlet streamwise velocity profile

圖9 側壁面出口沿流向湍流度剖面Fig.9 Sidewall outlet streamwise turbulence intensity profile

圖10 是采用熱線測量的流向瞬時速度信號隨時間演化過程的一個時間序列樣本．湍流場中每時每刻都充滿了加速和減速的快速脈動跳躍，變化的時間間隔非常短暫，頻率很高．為了清楚地顯示出高頻小尺度湍流脈動的細節，圖中只給出了0.20,s時長的一小段信號．

2 熱線測量結果及分析

2.1 側壁面送風口

圖8是側壁面送風口中心B′處沿流向3,mm、8,mm、13,mm、20,mm處4個位置的平均速度分布，圖中黑方塊是實測速度，直線是線性擬合的結果．可以看出，沿流向遠離出口，速度呈現線性衰減．而距離送風口同樣距離的A′、B′、C′ 3點測量結果表明平行于弧形出口的曲線上速度幾乎一致(數據結果并沒

圖10 速度信號示例Fig.10 Velocity signal example

圖11是側壁面流場沿徑向對D′、E′和F′ 3個點進行的湍能譜分析，圖中虛線表示的是Kolmogorov在1941年提出的湍能譜中慣性子區的-5/3斜率，可以看到實驗信號的慣性子區在100,Hz以上，提示如果對此湍流場進行大渦模擬，則計算的時間尺度不應大于0.01,s．沿著徑向，速度在降低，表示能量的能譜曲線下圍成的面積也在變?。?5/3斜率標識的慣性子區的尺度范圍隨下游慢慢向大尺度一段移動，說明越向下游方向，流場中小尺度部分耗散得越快，含有和傳遞能量的區域越來越小，湍流脈動的總動能也在逐漸衰減．

圖11 側壁面出口沿流向的湍能譜Fig.11 Sidewall outlet streamwise turbulence energy spectrum

2.2 圓形個性化送風口

飛機機艙中的個性化送風口外觀如圖12所示.圖13是個性化送風口射流流場沿軸向x=0.4R(A)、1.5R(D)、2R(E)、3R(H)、4R(I)和6R(L)(R=10,mm)處的平均速度分布，直線是線性擬合的結果．遠離射流出口，中心線上的速度呈現線性衰減的規律．

圖12 個性化送風口外觀Fig.12 Schematic of personalized jet

圖13 個性化送風口射流沿軸向平均速度剖面Fig.13 Mean velocity profile in axial direction of personalized jet flow

圖14 是與圖13相同的6個軸向位置上的湍流度分布，曲線是擬合的結果．向下游發展的過程中，中心線上的速度減弱表明了動量交換的頻繁，引起動量向周圍的擴散，各種尺度的湍渦大量出現，帶來更加快速的脈動，流體動能從平均運動向湍流脈動運動的傳遞，使湍動能增大，平均運動的動能減少．

圖14 個性化送風口射流沿軸向湍流度剖面Fig.14 Turbulence intensity profile in axial direction of personalized jet flow

圖15 是對個性化送風口射流流場軸向上H、I和L,這3個點的湍能譜分析．可以看到，相比于側壁面流場，個性化送風口射流的流速比較大，所以雷諾數較大，湍流發展得更加充分，慣性子區的范圍要更加明顯，慣性子區大約在2,000,Hz開始出現，提示如果對此湍流場進行大渦模擬，則計算的時間尺度不應大于0.000,5,s．在更高的雷諾數下，流場的尺度范圍要更寬，意味著湍流時間尺度更小、頻率更高．

圖16是個性化送風口射流中分別在軸向x= 0.4R、2R和4R處測量徑向為0、0.5R和R 3個徑向位置上的平均速度分布，圖中的曲線是擬合結果．運動的流體從個性化送風口噴出，徑向上與周圍靜止的流體發生動量的交換，帶動了周圍流體的運動，引起湍流不斷向周圍和下游擴散．個性化送風口的特殊結構使得流速沿徑向衰減很快，與通常標準圓出口湍射流不同．

圖15 個性化送風口射流出口沿徑向的湍能譜Fig.15 Turbulence energy spectrum distribution in radial direction of personalized jet flow

圖16 個性化送風口射流沿徑向平均速度分布Fig.16 Mean velocity profiles in radial direction of personalized jet flow

圖17 是與圖15相同的3個軸向位置沿徑向的湍流度分布．在徑向上，通常標準圓出口湍射流在出口處射流邊界R處的湍流度最高，而個性化送風口是處于0.5R處的湍流度最高，表現出此處湍流場最混亂．這是由于送風口處的特殊結構引起的，而在外邊界上更多的是大尺度的湍渦卷吸周圍環境靜止的流體，使湍流度不斷增高，湍流向下游不斷擴散，使得湍流度在軸向上也不斷增高，而在徑向上湍流度分布趨于更加均勻．

圖17 個性化送風口射流沿徑向湍流度分布Fig.17 Turbulence intensity profiles in radial direction of personalized jet flow

圖18 個性化送風口射流沿徑向湍能譜(2R)Fig.18 Turbulence energy spectrum in radial direction of personalized jet flow(2R)

圖19 個性化送風口射流沿徑向湍能譜(4R)Fig.19 Turbulence energy spectrum in radial direction of personalized jet flow(4R)

圖18 和圖19分別是個性化送風口射流流場在軸向x=2R和4R處徑向上3個位置的湍能譜．徑向上從中心往外邊界移動，能譜曲線衰減，小尺度比大尺度衰減得更快．在徑向1R的點上，能譜整體下移，是由于此處處于運動和靜止流體動量交換頻繁的邊界區域，傳遞給靜止流體的速度降低了流體的動量和動能．

3 結 語

MD-82機艙環境中側壁面條縫型送風口和圓形個性化送風口射流流場的熱線測量和分析，揭示了離開出口后速度的衰減規律．湍流度表明了湍流流場的混亂和活躍程度，不同位置的湍流度是湍流脈動的多尺度疊加的結果．對流場的湍能譜分析展現了慣性子區的存在，能量從大尺度的含能區通過慣性子區傳遞給小尺度結構并最終耗散為熱能．湍能譜的衰減和慣性子區范圍的變化暗示了小尺度在向下游運動過程中的衰減．對側壁送風口湍流場進行大渦模擬，計算的時間尺度不應大于0.01,s；對個性化送風口湍流場進行大渦模擬，計算的時間尺度不應大于0.000,5,s．

致 謝：美國波音公司對本研究項目提供了部分資助．

［1］ Gordeyev S，Thomas F. Coherent structure in the turbulent planar jet(Part 1)：Extraction of proper orthogonal decomposition eigenmodes and their self-similarity[J]. Journal of Fluid Mechanics，2000，414：145-194.

［2］ Gordeyev S，Thomas F. Coherent structure in the turbulent planar jet(Part 2)：Structural topology via POD eigenmode projection[J]. Journal of Fluid Mechanics，2002，460：349-380.

［3］ Mi J，Antonia R. Effect of large-scale intermittency and mean shear on scaling-range exponents in a turbulent jet[J]. Physical Review E，2001，64(2)：321-328.

［4］ Mi J，Nathan J. Statistical properties of turbulent free jets issuing from nine differently-shaped nozzles[J]. Flow Turbulence Combust，2010，84(4)：583-606.

［5］ Liu W，Jiang N. Experimental investigation on mixing enhancement mechanism of turbulent jet flow with tabbed nozzle[J] Transactions of Tianjin University，2008，14(3)：164-172.

［6］ Liu X，Jiang N. Passive control of turbulent jet flow with wedged nozzle[J]. Chinese J Chem Eng，2005，13(4)：451-456.

［7］ 徐驚雷，沙 江，林春峰，等. 不同狹縫厚度的零質量射流PIV實驗研究[J]. 推進技術，2007，28(2)：162-166. Xu Jinglei，Sha Jiang，Lin Chunfeng，et al. Experimental study on orifice depths effect for synthetic jet with particle image velocimetry[J]. Journal of Propulsion Technology，2007，28(2)：162-166(in Chinese).

［8］ 劉 欣，姜 楠，舒 瑋. 圓自由射流多尺度渦結構遷移特性的實驗研究[J]. 空氣動力學報，2004，22(1)：69-72. Liu Xin，Jiang Nan，Shu Wei. The experimental study of convection characteristics of the multi-scale eddy structure in turbulent jet flow[J]. Acta Aerodynamica Sinica，2004，22(1)：69-72(in Chinese).

［9］ Nickles B，Marusic I. On the different contributions of coherent to the spectra of a turbulent round jet and a turbulent boundary layer[J]. Journal of Fluid Mechanics，2001，448：367-385.

［10］ Zhou Y，Speziale C. 湍流基礎問題研究進展：能量傳遞，相互作用尺度，各向同性衰減的自保持性[J]. 力學進展，2000，30(1)：95-144. Zhou Y，Speziale C. Advances in the fundamental aspects of turbulence：Energy transfer，interacting scales，and self-preservation in isotropic decay[J]. Advances in Mechanics，2000，30(1)：95-144(in Chinese).

［11］ 是勛剛. 湍流[M]. 天津：天津大學出版社，1994. Shi Xungang. Turbulence[M]. Tianjin：Tianjin University Press，1994(in Chinese).

HWA Measurement and Analysis of MD-82 Aircraft Cabin Environment Flow Field

Wang Wei1,2，Jiang Nan1,2，Cao Xiaodong3，Shen Chen3，Liu Junjie3
(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Modern Engineering Mechanics，Tianjin 300072，China；3. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The slit jet flow and personalized jet flow in the MD-82 aircraft cabin environment are finely measured by constant-temperature anemometry system with the resolution higher than the smallest time-scale of turbulence. Mean velocity profiles，turbulence intensity distributions and turbulence energy spectrum are analyzed. The variation of mean velocity reveals the decaying of the velocity beyond the outlet. Turbulence intensity evolutions indicate that the degrees of fluctuations are the result of the superimposition of many fluctuations with different scales. The turbulence energy spectrum shows that the inertial sub-range exists. The energy from the energy-containing large scale is cascaded to the small scale through the inertial sub-range，which is finally dissipated into heat.

turbulent jet flow；hot-wire anemometry；turbulence energy spectrum；aircraft cabin environment

V223；O358

A

0493-2137(2013)01-0002-06

2012-09-04；

2012-10-11.

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2012CB720100)；國家自然科學基金資助項目(10832001，11272233)；中國科學院力學研究所非線性國家重點實驗室對外開放課題聯合資助項目．

王 維（1986— ），男，博士研究生，wangwei081@yahoo.cn.

姜 楠，nanj@tju.edu.cn.