客艙供風(fēng)初步設(shè)計(jì)與分析

陳 鵬，謝 平，祝 剛

(空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000)

飛機(jī)飛行過程中，客艙中氣流組織通過機(jī)上空氣分配系統(tǒng)進(jìn)行控制。經(jīng)過制冷、加溫系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)處理好的空氣由供氣口送入客艙、與艙內(nèi)空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換后，經(jīng)排氣口排出。空氣不斷地進(jìn)入與排出引起了艙內(nèi)空氣的流動(dòng)，形成了艙內(nèi)的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，從而直接影響著艙內(nèi)人員的熱舒適感［1］。工程實(shí)踐中，為保證客艙內(nèi)的舒適性，在送風(fēng)量一定的情況下，通過改變供、排氣口的數(shù)量、位置以及截面尺寸等對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，可以調(diào)節(jié)艙內(nèi)流場(chǎng)，改善艙內(nèi)舒適性。為評(píng)定送風(fēng)系統(tǒng)的性能，通常要對(duì)客艙氣流組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬與計(jì)算，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在飛機(jī)設(shè)計(jì)前期利用數(shù)值模擬計(jì)算指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)已成為一種普遍的做法，相關(guān)文獻(xiàn)等的計(jì)算與分析也表明，客艙氣流組織數(shù)值模擬，可以較準(zhǔn)確地反映艙內(nèi)的空氣流場(chǎng)，能有效地指導(dǎo)艙內(nèi)空氣分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［2－3］。基于此，文章利用商業(yè)CFD軟件對(duì)某支線客機(jī)客艙氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)分析了不同空氣分配方案對(duì)艙內(nèi)流場(chǎng)的影響，為該型客機(jī)客艙氣流分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 計(jì)算模型與方法

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

飛機(jī)客艙區(qū)域本身較大，艙內(nèi)乘客多且每名乘客的的尺寸特征也不相同，這都導(dǎo)致客艙中的環(huán)境復(fù)雜，若直接對(duì)全尺寸客艙進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量多，計(jì)算量大，也必然導(dǎo)致計(jì)算周期加長(zhǎng)。為減少計(jì)算量，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。考慮到客艙內(nèi)氣流流動(dòng)具有周期性和對(duì)稱性，計(jì)算中選擇其中一段客艙進(jìn)行計(jì)算，該段客艙包括過道一側(cè)的四排人與座椅，過道另一側(cè)及座椅前后采用對(duì)稱屬性處理，計(jì)算區(qū)域前后的艙段采用周期性條件處理。除計(jì)算區(qū)域外，對(duì)乘客的幾何模型也進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并使所有乘客保持相同姿勢(shì)，簡(jiǎn)化后所選取的計(jì)算區(qū)域及人椅模型如圖1所示。

圖1 客艙截圖

模型中，送風(fēng)系統(tǒng)采用上送下回的供氣方式，送風(fēng)口為格柵式，包括天花板上的頂送風(fēng)口和側(cè)壁上部的側(cè)壁送風(fēng)口，空氣由頂送風(fēng)口和側(cè)壁送風(fēng)口橫向吹入客艙，出風(fēng)口設(shè)在側(cè)壁下方靠近腿部的地方。

客艙氣流流動(dòng)為低雷諾數(shù)粘性湍流流動(dòng)，其網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)于計(jì)算結(jié)果有很大的影響，與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)粘性流體計(jì)算更具優(yōu)勢(shì)，其網(wǎng)格生成速度快，質(zhì)量好，收斂速度快，計(jì)算結(jié)果更精確，為此文中采用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

客艙結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成，其關(guān)鍵是人體、座椅表面及艙體表面附近兩個(gè)壁面附件的網(wǎng)格加密問題，其解決方法是通過兩個(gè)O網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)各表面的加密，其中一個(gè)O網(wǎng)格在艙體表面，另外一個(gè)O網(wǎng)格在所有人、椅表面生成。利用O網(wǎng)格加密后，人椅表面附近的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 人體表面加密網(wǎng)格圖

1.2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

客艙內(nèi)空氣流動(dòng)計(jì)算控制方程為N－S方程，湍流模型采用RNGk－ε二方程模型［4］。所用到的N－S方程及k－ε方程如下:

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

k方程:

ε方程:

客艙氣流流動(dòng)，可認(rèn)為是粘性不可壓流體的低速、定常湍流問題，計(jì)算過程中空氣密度不變，選用系統(tǒng)默認(rèn)常數(shù)。計(jì)算設(shè)定的邊界條件主要包括:(1)客艙對(duì)稱面、前后截?cái)嗝嬖O(shè)置為對(duì)稱面。其中客艙對(duì)稱面處速度及各變量的變化梯度為0;前后兩個(gè)截?cái)嗝娴牧鲌?chǎng)分別與前后的流場(chǎng)形成周期變化關(guān)系。(2)艙體各壁面、座椅及人體表面均視為絕熱表面，采用壁面無滑移邊界條件，表面溫度均設(shè)置為303.15K(30℃)。(3)送風(fēng)口采用速度入口，其入口溫度均為275.15K(2℃)。根據(jù)客艙內(nèi)氣流速度的一般要求，選取2.5m/s至5m/s間的若干組送風(fēng)速度，對(duì)單獨(dú)的天花板送風(fēng)及天花板與側(cè)壁混合送風(fēng)的送風(fēng)兩種送風(fēng)方式分別進(jìn)行了計(jì)算與分析。(4)出風(fēng)口按一般地面工作條件處理，設(shè)為自由流出口。

圖3 供風(fēng)速度2.5m/s時(shí)溫度、速度分布圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)要求，首先對(duì)天花板送風(fēng)方式進(jìn)行了計(jì)算［5］。從計(jì)算結(jié)果來看，在一定送風(fēng)速度下，前后各排座椅附近的流場(chǎng)相似，以流速2.5m/s為例，計(jì)算區(qū)內(nèi)第二排座椅處的截面的溫度及速度分布分別如圖3所示。從圖中可以看出，客艙內(nèi)流場(chǎng)有以下特點(diǎn):(1)氣流進(jìn)入客艙后，氣流沿主要沿側(cè)壁和過道方向擴(kuò)散，流經(jīng)座椅上方的氣流較少，并因此在座椅上部形成一個(gè)明顯的回流區(qū)。回流區(qū)內(nèi)，溫度較高，且溫度向回流區(qū)中心呈遞增趨勢(shì);(2)從速度分布來看，氣流在客艙內(nèi)的速度變化較明顯，在客艙過道附近及腿部出口附近，氣流速度較大，特別是客艙過道附近明顯大于其它地方。(3)由于靠近過道一側(cè)的乘客頭部位于回流區(qū)內(nèi)，因此其頭部附近換熱效果較差，溫度較高，與座椅附近其它部分的溫差較大，可達(dá)3℃以上。

客艙氣流的供氣速度一般介于2.5m/s至5 m/s之間，為便于比較，選取了多組供風(fēng)速度進(jìn)行計(jì)算。從計(jì)算情況來看，在相同送風(fēng)量下，各工況雖然供風(fēng)速度不同，但流場(chǎng)內(nèi)的溫度及速度分布大體上是相似的，供風(fēng)速度為5m/s時(shí)艙內(nèi)的溫度及速度分布圖如圖4所示，與圖3相比，其主要區(qū)別在于:(1)由于氣流速度增加，換熱系數(shù)下降，流場(chǎng)內(nèi)溫度總體上升，溫度場(chǎng)的變化較圖3中更均勻。(2)由于供風(fēng)速度增加，流場(chǎng)內(nèi)各處的氣流速度也明顯增加，超過一般要求的0.2m/s，部分地方超過0.33m/s，會(huì)使乘客產(chǎn)生穿堂風(fēng)的感覺。

從圖3和圖4中的溫度分布圖來看，增加供風(fēng)速度有利于提高溫度場(chǎng)的均勻度，但一來其效果并不十分明顯，二來整個(gè)流場(chǎng)氣流速度的增加會(huì)減小乘客的舒適度。為此又對(duì)天花板和側(cè)壁混合供風(fēng)的工況進(jìn)行了計(jì)算。

圖4 供風(fēng)速度5m/s時(shí)溫度、速度分布圖

圖5 天花板帶側(cè)壁混合供風(fēng)時(shí)溫度、速度分布圖

圖5是頂部送風(fēng)速度為3.3m/s、側(cè)壁送風(fēng)速度為2.5m/s時(shí)流場(chǎng)的溫度、速度分布圖。從圖中可以看出，與前面兩種工況相比，加入側(cè)壁送風(fēng)后，側(cè)壁及回流區(qū)附近的氣流混合更為充分，溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)更加均勻，且人體附近的風(fēng)速也得到了有效的控制，相比較之下該工況下，乘客的舒適性更好。

3 結(jié)論

通過改變客艙送風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)速度及供風(fēng)方式，對(duì)某型支線客機(jī)客艙的氣流組織進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:(1)采用天花板送風(fēng)方式，在相同空氣流量下，不同送風(fēng)速度在艙內(nèi)形成的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布形式相似，速度較小時(shí)人周圍的流速較低，形成的負(fù)荷較小，但不利于帶走局部負(fù)荷。速度較大時(shí)人周圍的流速較大，特別是過道的流速過大，會(huì)降低乘客的舒適性;(2)采用天花板結(jié)合側(cè)壁送風(fēng)方式能夠有效地限制空氣的流速，并保證流場(chǎng)內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)各均勻，能夠有效地改善客艙內(nèi)的舒適性。相關(guān)的計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)榭团撍惋L(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供相關(guān)的依據(jù)。

［1］壽榮中，何慧珊.飛行器環(huán)境控制［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［2］Tengfei Zhang，Qingyan Chen.Novel air distribution systems for commercial aircraft cabins［J］.Building and Environment，2007，(4).

［3］Fred A，Mathew J.W and Dipankar C.Numerical Analysis of Airflow in Aircraft Cabins［R］.SAE －911411 .

［4］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué) (第二版)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2006.

［5］王福軍.計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.