基于狹縫湍射流多尺度特征研究的機艙條縫送風口內結構的優化設計

葛文濤, 郭 勇, 代 申, 姜 楠，*, 劉俊杰

(1. 天津大學 機械工程學院, 天津 300072; 2. 天津大學 環境科學與工程學院, 天津 300072)

基于狹縫湍射流多尺度特征研究的機艙條縫送風口內結構的優化設計

葛文濤1, 郭 勇1, 代 申2, 姜 楠1，*, 劉俊杰2

(1. 天津大學 機械工程學院, 天津 300072; 2. 天津大學 環境科學與工程學院, 天津 300072)

針對MD-82真實客機座艙內現有的壁面條縫型送風口流場平均流速沿座艙軸向分布的不均勻性，提出了一種送風口條縫形芯內結構的設計，使條縫型送風口處氣流混合更加均勻，湍流發展更充分，平均流速沿座艙軸向分布更加均勻。并利用熱線測速技術，精細測量條縫型送風口流場進行驗證。從吹風感舒適性要求出發，利用子波分析，對條縫型送風口流場不同位置的瞬時速度時間序列信號作多尺度湍渦成分分析。結果表明：加裝了條縫形芯內結構的條縫送風口流場的氣流脈動特征頻率始終維持在21.83Hz左右，而導致人最不舒適的空氣速度脈動頻率為0.2～0.6Hz，從而證實加裝了條縫形芯內結構的條縫送風口流場的氣流提高了人體感覺的舒適性。

機艙；內結構；條縫射流；熱線測速；子波變換

0 引 言

我國作為世界航空大國，自主研發國產大飛機一直是我們追求的目標。創造高能效、健康和舒適的飛機客艙環境是國產大型客機能在激烈的國際競爭中占據一席之地的重要保障。在封閉的客艙環境中，條縫型送風口具有更新艙內空氣、保證艙內空氣質量和改善艙內熱舒適性的作用。條縫型送風口的出流屬于典型的多狹縫射流，該形式是射流中比較復雜的一種[1]。因此，開展以客機機艙環境為背景的多狹縫送風口湍射流的實驗研究具有重要意義[2]。

評判環境舒適度的依據有很多，其中吹風感是一個比較重要的指標。目前世界上對于吹風感的研究主要分為2大方向，一方面，以Fanger等人提出的PD模型以及在此基礎上發展起來的吹風感預測模型為理論依據的舒適度研究[3-5]。由于該理論是以PD預測模型為基礎，所以主觀性較強。另一方面就是通過控制和調整氣流運動的參數特性，提高感官舒適度。該研究方向主要側重于對環境流場及氣流組織特性進行研究，包括氣流速度、溫度、濕度和湍流度等主要流場參數。1977年Fanger和Pedersen得出空氣速度的脈動頻率在0.3～0.5Hz會引起最強的不舒適性[6]。1988年Fanger等人指出，湍流強度越大，吹風感越明顯。相關文獻又表明，過低的湍流度也會讓人有不舒適感。然而對于流場對舒適度影響的研究還不夠深入，僅僅止步于速度和湍流度等簡單的影響參數。湍流場是一個含有多尺度結構的復雜流場，因此本文首次引入多尺度的概念對氣流組織對人體吹風感影響的過程進行分析研究。

從流體動力學的角度，速度場屬于主動量，速度場的分布決定了溫度、濃度和濕度等被動舒適性指標在空間的分布和對流輸運。因此，針對MD-82真實客機座艙內現有的壁面條縫型送風口流場平均流速沿座艙軸向分布的不均勻性，提出了一種送風口條縫形芯內結構的設計，使條縫型送風口處氣流混合更加均勻，湍流發展更充分，平均流速沿座艙軸向分布更

加均勻。并利用熱線測速技術，精細測量了客機座艙模型中條縫型送風口的射流流場，并采用子波分析[7-8]對測得的條縫型送風口流場進行多尺度湍渦成分分析，分析不同尺度湍渦結構的能量分布規律及能量傳遞規律。

1 實驗內容

實驗測量的對象是客機座艙模型中條縫型送風口射流流場，采用的儀器包括IFA-300恒溫式熱線風速儀、1128A型熱線探針校準器和三維步進電機驅動坐標架。IFA-300恒溫式熱線風速儀(簡稱HWA)是一種由計算機控制、具有自動頻率最佳化功能的熱線風速儀，能夠連續感受流動速度并自動調整動態響應，實時地實現最佳化頻率響應，能夠準確地測量流場的速度脈動信號。它的頻率響應快，范圍寬，最高能達到700kHz，因此能夠分辨出低速湍流中最小尺度的湍渦結構。實驗中，三維步進電機驅動坐標架由電腦控制移動步長，精度達到了0.01mm。實驗中，機艙環境的溫度始終維持在26℃。

如圖1所示，條縫型送風口模型全長為2.3m，寬0.345m，高0.145m，條縫所在平面與水平成60°角。整個送風口模型共有105個緊鄰的細長條縫，每個細長條縫長50mm，寬3.5mm，相鄰細長條縫的間距也為3.5mm，即格柵的寬度為3.5mm。簡化機艙模型中送風口一側接鼓風機，鼓風機定常向管道內供氣，管道來流速度為5.15m/s，雷諾數為12 980，管道流量為93.15m3/h。本次實驗中，熱線風速儀的的采樣頻率為100 000Hz，每個空間測點采樣時間為41 943s，測速樣本數據量共計為4 194 304。

本實驗分為2大組，包括：CASE 1，加裝了實際客艙現有的圓孔形芯內結構的條縫型送風口(1∶1的MD-82真實客機座艙內的送風口內結構模型)；CASE 2，加裝了細長條縫形芯內結構的條縫型送風口。

根據不同工況下分別測量沿流向(x軸)的衰減速度場和沿展向(z軸)的速度場分布(見圖1(b))。

圖1 條縫型送風口模型(圖(a)為實物圖,圖(b)為示意圖)

Fig.1 The slot outlet model(figure(a) is the picture and the figure (b) is the schematic diagram)

圖2 條縫型送風口氣流運動示意圖

(1) 實驗一：測量展向平均速度分布。在距離條縫5mm處的平面上，起始點正對條縫中心，設置步長1mm，沿展向移動測量10個條縫格柵周期長度，測得70個測點的平均速度分布。

(2) 實驗二：測量流向平均速度衰減規律。分別正對條縫中心和格柵中心沿流向移動測量，起始位置距離條縫所在平面5mm，起始步長為5mm，測量11個點(至55mm處)，之后加大步長至20mm，測量至距離條縫所在面175mm處。

內結構安裝在條縫送風口穩壓箱內部，本實驗采用2種圓管型內結構，圓孔芯內結構和條縫芯內結構。如圖3所示，圓孔形芯內結構小孔直徑為9mm，共27個小孔，相鄰圓孔的間距為17mm；條縫芯內結構條縫長575mm，寬3mm。這樣的方式保證了不同內結構的出氣面積相同。加裝內結構后，鼓風機提供的氣流首先進入內管，從內管開口處射出后再由條縫型送風口進出機艙模型。

圖3 不同內結構模型示意圖(圖(a)為圓孔形芯內結構，圖(b)為條縫形芯內結構)

Fig.3 The schematic diagram of the model with different inner-structures(figure (a) represents circular core inner-structure and figure (b) represents slit shaped core inner-structure)

2 HWA測量結果分析

圖4是在距離條縫5mm處的平面上，起始點正對條縫中心，沿展向移動測量的10個條縫周期(1個周期指從某一條縫中心到相鄰的條縫中心的距離)。從圖中可以看出，2個流場都具有明顯的周期性，且周期與條縫的距離周期相同。同時，加裝了圓孔形芯內結構(見圖4(a))的流場還受內結構上圓孔周期性分布的影響，在展向上表現的并不均勻。而圖4(b)條縫形內結構的通風口射流平均流場在展向上分布的均勻性要好很多。

圖4 不同內結構的條縫型風口沿展向的速度場分布對比圖

Fig.4 The span-wise velocity field distribution contrast figure of the slot-jet with different inner structures

圖5是根據實驗測得的2種不同工況下，即安裝不同內結構的條縫送風口流場中流向上17個位置的平均速度繪制成的從距離出風口平面5mm處一直到175mm處的平均速度衰減圖。從圖中可以看出，在近壁區，CASE 2的流場速度明顯比CASE 1的流場速度大，這說明在出風面積相同時，加裝條縫形芯內結構的送風口送風效果更好。在到達距出風口平面50mm左右處，氣流平均速度已經衰減到0.3m/s，低于吹風感容許的最大吹風速度[9-10]。說明加裝了條縫形芯(即CASE 2)的條縫型出風口處流場的衰減率更快。所以，優化后的條縫形芯的內結構在保證送風量的同時滿足對流向速度衰減率大小的要求。

Fig.5 The mean stream-wise velocity field attenuation contrast figure of the slot-jet with different inner structures

圖6是2種工況下，對距離出口5mm處流向脈動速度時間序列信號進行連續子波分析所獲得脈動速度多尺度成分等值線分布圖。可以很清晰地看出，加裝了條縫形芯內結構的流場主要分布在6～8尺度，明顯小于圓孔形型芯的工況的7～10尺度，即加裝了條縫形芯內結構的湍流場衰減更快，湍渦尺度更小，頻率更高。說明條縫形芯內結構達到了減小湍渦尺度，降低吹風感，提高舒適性的目的。

在2種工況下，沿流向中心線上的17個測點，利用離散子波分析，將其分成22個尺度，并根據能量最大準則[11]，分析不同尺度的湍渦的能量在總湍動能中所占的比重(見圖7)。從圖中可以看出，在距離風口5mm的位置，CASE 1的主要含能尺度主要集中在12尺度上，對應頻率21.83Hz。在距離送風口35mm的位置，CASE 1的主要含能尺度變得更大，主要集中在14尺度上，對應頻率5.48 Hz。CASE 2在距離風口5mm的位置，高頻小尺度渦的含量明顯增多，湍動能主要積聚在第7尺度，對應的頻率為595.23Hz。在距離送風口35mm的位置，CASE 2的湍動能主要積聚在代表大尺度湍渦的第12尺度，對應頻率21.83Hz。所以加裝條縫形芯內結構的通風口使湍渦尺度變小了大約4倍，從而降低了吹風感，提高了舒適性。

圖6 不同工況下距離風口5mm處脈動速度多尺度成分等值線圖

Fig.6 The contour of the velocity proportion of different scale eddies for different cases at 5mm downstream of the slot

圖7 不同工況下不同測點位置的不同尺度的湍渦的能量占總湍動能的分布圖

Fig.7 The energy proportion of different scale eddies at different positions for different cases

從不同流向位置的能量隨尺度分布(見圖7)可以看出，越往下游，一方面，由于流體分子黏性的耗散作用，射流場總的湍動能大量被耗散掉，導致射流場總的湍動能隨著往下游發展逐漸減少。另一方面，隨著射流場對周圍環境靜止氣體的剪切卷吸效應，將周圍流場中越來越多靜止的流體卷吸進來；射流帶動的周圍靜止流體質量越來越多，單位質量的流體擁有的動量和動能越來越少，導致流體黏性的作用相對變大，慣性作用逐漸減弱；一部分小尺度湍渦在黏性的作用下又卷并成為低速、低動能的大尺度湍渦，使湍流場中的低頻大尺度渦的成分含量相對增多，高頻小尺度渦的含量相對減少；這是湍流發展過程中的逆級串現象，這部分大尺度湍渦的形成對機艙內熱量的傳遞和污染物的輸運擴散產生重要影響。低速、低動能的大尺度湍渦隨后再次破碎成小尺度湍渦后，湍流才逐漸被耗散，湍流這種雙向的級串現象，表明在湍流發展演化過程的不同階段，正向和負向的級串過程交替占有主導地位，體現了湍流發展演化過程的復雜性。

圖8是對距離送風口35mm處流向脈動速度時間序列信號進行連續子波分析，獲得脈動速度多尺度成分等值線分布圖。也可以看到隨著多狹縫射流向下游的演化，湍流場中的低頻大尺度渦的成分含量相對增多，高頻小尺度渦的含量相對減少的湍流逆級串現象。圓孔形型芯內結構的湍流場由于逆級串過程，湍渦主要分布在14尺度，對應頻率5.48Hz。而加裝條縫形芯內結構的湍流場湍渦主要分布在12尺度，對應頻率21.83Hz。所以加裝條縫形芯內結構的通風口達到了使湍渦尺度變小、降低吹風感和提高舒適性的目的。

客艙湍流脈動頻率特征是影響客艙舒適性的因素之一。因此，對于加裝了條縫形芯內結構的流場進行進一步分析。圖9給出了加裝條縫形芯內結構客艙條縫風口各流向位置起主要作用的湍渦尺度(見圖7)對應的特征頻率。從圖9可以看出，在距離出風口5mm處能量最大的尺度是第7尺度，對應的頻率為595.23Hz；距離出風口10mm處能量最大的尺度是第8尺度，對應的頻率為297.62Hz；距離出風口15mm處能量最大的尺度是第10尺度，對應的頻率為74.4Hz；距離出風口20～30mm處能量最大的尺度是第11尺度，對應的頻率為43.668Hz；從距離出風口35mm直到人頭部所在的位置，能量都是主要集中在第12尺度，對應的頻率為21.83Hz。

圖8 不同工況下距離風口35mm處脈動速度多尺度成分等值線圖

Fig.8 The contour of the velocity proportion of different scale eddies for different cases at 35mm downstream of slot

圖9 CASE 2不同流向測點的起主要作用的尺度對應的特征頻率

Fig.9 The characteristic frequency of the corresponding scale who dominants in the process at different stream-wise points in CASE 2

空氣速度波動頻率為0.2～0.6Hz會引起最強的不舒適。本實驗中，客艙條縫風口測得的各湍渦尺度的特征頻率都遠遠大于這個范圍，所以從主要尺度的湍渦特征頻率來看，加裝條縫形芯內結構的條縫送風口氣流提高了人體的吹風舒適性。

實驗誤差的來源是多方面的，如鼓風機的不穩定、熱線探針的定位誤差以及標定過程中產生的誤差。本次實驗中鼓風機的流量波動范圍不超過±2.5%。三位自動坐標架的精度為0.01mm，因此定位誤差不超過0.01mm。熱線標定工作在TSI-1127型射流校準器上完成，該校準器在圓形出口處形成穩定的射流，將探針放于該射流核心區內，通過壓力傳感器記錄其速度值。在利用四次多項式擬合電壓-速度關系，重復性實驗表其標定誤差不超過2%。

3 結 論

本文利用熱線測速技術，以高于湍流場最小時間尺度(Kolmogorov時間尺度，耗散時間尺度)的分辨率，精細測量客艙模型中加裝不同內結構的條縫送風口射流流場，并從舒適度要求出發，利用子波分析，對瞬時多狹縫湍射流場作進一步的多尺度湍渦成分分析。得出以下結論：

(1) 湍流場中不同尺度湍渦的能量在總湍動能中所占的比重是不同的，越往下游發展，隨著射流場對周圍氣體的卷吸效應，湍流場中的低頻大尺度湍渦的成分含量增多，高頻小尺度湍渦的含量減少。這是低局部雷諾數湍射流與高雷諾數湍射流物理機理上的差異，遠場的低頻大尺度湍渦結構對機艙內熱量的傳遞和污染物的擴散有重要作用；

(2) 客艙條縫風口各流向位置起主要作用的湍渦尺度的特征頻率隨著湍射流的發展逐漸降低。通過對比實驗發現，從距離出風口平面35mm處開始，加裝優化結構后的條縫出風口流場的氣流特征頻率始終維持在21.83Hz左右，而導致人最不舒適的空氣速度波動頻率為0.2～0.6Hz。因此，本結構優化設計是有效的;

(3) 條縫形芯內結構的設計大幅度改善了條縫出風口處流場的周期性以及速度分布的一致性。使得氣流與環境流體混合更加均勻，湍流發展更充分，達到降低吹風感，提高舒適性的要求。

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(編輯：楊 娟)

Optimization design of inner-structure of the slot-jet in aircraft cabin based on investigation of multi-scale characteristics of slot turbulent jet flow

Ge Wentao1, Guo Yong1, Dai Shen2, Jiang Nan1，*, Liu Junjie2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to solve the distribution heterogeneity problem of the mean span-wise velocity field of the slot outlet in MD-82 airliner cabin,we designed the slit-shaped inner core structure in order to make the final mixture of the slot flow more uniform, the development of the turbulence is more sufficient and the distribution of the mean stream-wise velocity field is more homogeneous. Hot-wire anemometry is used in the simplified cabin model experiments, based on which the research is carried out on the optimization design of inner structures of the slot-jet in aircraft cabin and the multiscale characteristic analysis of the turbulence. The slot-jet flow fields in model cabin environment with different inner-structure are finely measured by constant-temperature anemometry system.The resolution of the constant-temperature anemometry system is higher than the smallest time-scale of turbulence (inner structure and dissipation time-scale). The actual velocity field is analyzed in the stream-wise direction and normal direction respectively. Furthermore, based on the comfort theory, the wavelet-transformations are applied for the characteristic analysis of the multi-scales eddy and the analysis of the distribution of energy. The variation of the mean velocity beyond the slot outlets reveals the decaying regularity of the velocity in the stream-wise direction and the flow irregularity in the normal direction. Results from the wavelet transformation analysis indicate that the change of energy proportion of different scale eddies is connected with the evolution of the slot-jet flow field. It can be seen from the results that small scale vortices generate entrainment and merge into large scale vortices on account of the increase of the viscosity and the decrease of the inertness in the far field of the turbulence jet flow field, which is called inverse energy cascade. It has a significant impact on the thermal transmission and the diffusion of contaminant.It’s the main reason of the draft sensation discomfort. By the contrast experiments, the slit-shaped core inner structure is designed so that the final mixture of the slot flow is more uniform and the development of the turbulence is more sufficient. From the perspective of comfort analysis on the flow fluctuation frequency, the flow characteristic frequency of the flow field beyond the outlet with the designed core structure has remained to be about 21.83Hz, while the air fluctuation frequency which results in highest discomfort is 0.2～0.6Hz. Therefore the design is worked.

aircraft cabin;inner-structure;slot-jet;hot-wire anemometry;wavelet transform

1672-9897(2015)05-0032-06

10.11729/syltlx20140151

2014-12-29;

2015-04-21

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目大型客機座艙內空氣環境控制的關鍵科學問題研究(NO.2012CB720101、NO.2012CB720103);國家自然科學基金資助項目(11272233、11332006、11411130150)

GeWT,GuoY,DaiS,etal.Optimizationdesignofinner-structureoftheslot-jetinaircraftcabinbasedoninvestigationofmulti-scalecharacteristicsofslotturbulentjetflow.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(5): 32-37. 葛文濤, 郭 勇, 代 申, 等. 基于狹縫湍射流多尺度特征研究的機艙條縫送風口內結構的優化設計. 實驗流體力學, 2015, 29(5): 32-37.

V223+.2;O358

A

葛文濤(1989-)，男，江蘇揚州人，碩士研究生。研究方向：實驗流體力學。通信地址：天津大學機械工程學院力學系流體力學實驗室天津大學北洋科學樓102(300072)。E-mail:gwt385990242@163.com

*通信作者 E-mail: nanj@tju.edu.cn