民用飛機座艙排煙流場計算分析

　霍莎莎

（中航飛機研發中心環空救生研究所民機環控室，陜西西安710089）

民用飛機座艙排煙流場計算分析

霍莎莎

（中航飛機研發中心環空救生研究所民機環控室，陜西西安710089）

民用飛機座艙（駕駛艙和客艙）是機組、乘客工作和生活的空間，作為一個密閉的空間，需要有適宜的空氣流場，為乘員提供舒適的溫度和充足的新鮮空氣。當駕駛艙產生煙霧時，排煙通道應該能夠快速地將煙霧排除。主要通過數值模擬獲得排氣通道空氣流場，從空氣流場的角度進行排煙分析。對比了兩種不同的座艙壓力調節系統排氣活門的布置方案，為系統設計決策提供依據。

座艙排煙；流場分析；數值模擬；CFD

民用飛機在實際航線運營中，可能會發生火災或空調系統故障，從而產生座艙煙霧。座艙的煙霧會造成飛行機組和乘客呼吸困難，還會影響飛行機組視線，使得機組應急處理能力下降，甚至可能會導致飛機墜毀。

CCAR第25部運輸類飛機適航標準25.831（d）條規定：如果在駕駛艙區域有合理可能積聚危險數量的煙，則必須能在完全增壓的情況下迅速排煙，而減壓不超出安全限度［1］。該條款要求詳細說明在駕駛艙區出現煙霧時，機組應當如何排除煙霧，并通過煙霧排除試飛試驗驗證［2］。其中煙霧的模擬是該試驗的關鍵，美國聯邦航空局咨詢通報AC25-9［3］詳細地闡述了煙霧模擬問題。

本文主要通過數值模擬獲得排氣通道空氣流場，從空氣流場的角度進行排煙分析。對比了兩種不同的座艙壓力調節系統排氣活門的布置方案，為系統設計決策提供依據。

1　物理模型

根據座艙壓力調節系統布置方案，考察在機身中部的駕駛艙下或起落架艙處設置單排氣活門。圖1為排氣通道位置示意圖，圖2所示為兩種排氣活門位置示意圖。

圖1　排氣通道位置示意圖

圖2　兩種排氣活門布置方案

其中，方案1排氣活門位于機身中部的起落架艙前板，方案2的排氣活門位于駕駛艙下部的前板。

對排氣通道生成計算網格，對兩種情況的流場進行計算，主要考察排氣時壓力分布以及流動阻力，從而對排煙進行分析。

2　計算模型

2.1數值模擬計算方法

通常，N-S方程是數值模擬密閉空間流場的基礎，室內空氣品質的物理參數用一組非線性方程組來描述，對方程組進行空間和時間上的離散，求解出各離散點上物理參數的值，從而得到最終結果。

數值計算的由以下三個步驟組成（如圖3所示）：第一步，通過各種物理假設對研究對象進行近似處理，建立數學模型及其邊界條件來描述物理現象。第二步，通過離散化處理把微分方程組轉換成代數方程組以便用計算機處理。第三步，整理輸出計算機處理后的數值結果，CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）技術是一種有效地處理數值結果的方法。基于N-S方程的CFD計算方法成功地應用于氣動載荷分析［4］和彈性分析［5］等多個領域。Boing公司CFD工程部采用商用軟件FLUENT對客機客艙內的氣流組織進行了數值模擬，并用試驗驗證了模擬結果，證明CFD能夠設計出良好的座艙氣流組織［6］。

圖3　數值計算的步驟示意圖

2.2控制方程和計算方法

本文主要研究座艙排煙通道的空氣流動，該流動是定常低速湍流。下列方程是文中用到的雷諾平均N-S方程（RANS）［7］：

連續性方程

動量方程

k-ε模型是本文所采用的數學模型，湍流動能k方程是精確方程，湍動耗散率ε方程是由經驗公式導出的方程。k-ε模型k是在方程中引入了ε方程形成的。

其中Gk表示湍流動能，由層流速度梯度產生，Gb則表示浮力產生的湍流動能，在可壓縮湍流中，由過渡擴散產生的波動用YM表示，C1ε，C2ε和C3ε都是常量，σk是k方程的湍流普朗特數，σε是方程的湍流普朗特數，Sk，Sε是自定義的變量。

湍流粘性系數μt的公式如下：

k-ε模型是高雷諾數的湍流模型，它對充分發展的湍流才有效。然而，在靠近壁面區域內的流動，由于雷諾數較低，湍流發展不充分，分子粘性的影響比湍流的脈動影響大，因此近壁面流動不能直接用前面的模型計算，為了解決這一問題，本文采用了以下兩種方法：配合使用低雷諾數k-ε模型與前面的湍流模型以及壁面函數法。下面具體介紹在FLUNT計算時，本文所采用的壁面函數法。

湍流的邊界層的壁面層包含三個子層，分別是粘性底層，過渡層和對數律層，核心區是完全湍流區，圖4展示了壁面層與核心區的流動關系。

圖4湍流邊界層結構

圖4中的y+的公式如下，它是壁面單位：

式中，y+是臨近單元中心到壁面的距離；uτ是自由流的速度；y是邊界層起始點到壁面的距離。

壁面函數法是用圖4中的半經驗線性公式，忽略粘性底層和過渡層，將壁面上與湍流核心區的物理量聯系在一起。前面的湍流模型使用標準壁面函數法（Standard Wall Functions）計算，它具有很高的計算效率和很強的工程實用性，但對于粘性底層和過渡層內的“真實”速度分布，它無法計算，所以，在用FLUENT進行的實際計算中，需要輸出y+值，用y+值來做邊界層內的網格檢查。一般用壁面單位距離y+來度量壁面附近單元網格到壁面的距離。對數律層通常的有效范圍是30＜y+＜60，可以放大到30＜y+＜100.如果y+遠小于30或遠大于100，則FLUENT計算不能采用該湍流模型。如果有y+＜30的區域，可以通過增強壁面處理（Enhanced Wall Treatment）來改善。

3　計算結果及分析

對排氣通道生成計算網格，便可進行相應的流場計算。對兩種排氣活門布置方案進行了計算，為了方便顯示數據，給出兩個典型切面的數據，如圖5所示，分別為包含了側邊通道的側邊切面以及中心切面。

圖5　排煙通道切面示意圖

3.1起落架艙排氣活門方案

首先針對方案1，即排氣活門置于機身中部的起落架艙側壁的情況，進行了流場計算。

圖6和圖8為排氣通道兩個典型切面的壓力分布。由于流動為不可壓縮流動，因此壓力是選取了參考點的相對值，其絕對值沒有物理意義，但是相對值可以評估壓力大小以及流阻。

圖6為排氣側邊通道切面的壓力分布，圖7為排氣通道中心切面的壓力分布。

圖6　排氣通道側邊切面壓力分布

圖7　排氣通道中心切面壓力分布

圖8　排氣通道側邊切面速度分布

可以看出，駕駛艙下部和起落架艙附近的空腔內壓力比較均勻，起到類似穩壓腔的作用。當排氣活門放置于起落架艙時，駕駛艙排氣要經過較長的路徑到達排氣活門，流阻較大，因此駕駛艙下部的空腔內壓力稍高；但是總體來講排氣通道流速很小，如圖9所示，因此阻力較小，兩側壓力差的量級在12 Pa左右。同時，通過積分得到，起落架艙上部的窄縫流阻也為2 Pa量級。

圖9　排氣通道側邊切面壓力分布

從以上結果可知，排氣活門放置于起落架艙時，駕駛艙排氣區域具有較高的壓力，當駕駛艙排煙時，會增加煙霧在排煙通道的流通時間，存在煙霧擴散滲透到客艙的可能性。

3.2駕駛艙下部排氣口方案

同時針對方案2，即排氣活門置于駕駛艙下部的空腔側壁的情況，進行了流場計算。

圖9到圖10為兩個典型切面的壓力場，圖11為速度場。

圖10　排氣通道中間切面壓力分布

圖11　排氣通道側邊切面速度分布

當排氣活門位于駕駛艙下部時，從圖中的壓力分布可以看出，此時客艙進入排氣通道的壓力處于較高的壓力狀態，而駕駛艙下部的空腔處于較低的壓力，當駕駛艙產生煙霧時，可以較短的路徑排出艙外，與方案1相比，方案2更有利于駕駛艙排煙，避免煙霧擴散滲透進入客艙。

圖12的速度分布表明，與方案1類似，排氣通道的平均流速處于較低的水平，因此流動阻力較小，但是大于方案1，兩側壓力差為19 Pa量級，起落架艙的窄縫的流動阻力仍然在2 Pa的量級。

需要說明的是，排氣通道和起落架艙的窄縫可能會布置管線，這樣會減少排氣通道的有效流通面積，從而導致流速增加，若不考慮管線導致的局部阻力損失，理論上流阻以速度的平方量級增加，因此若后續布置管線導致有效流通面積大大減小，建議同時在機身后部設置排氣活門。

4　結束語

對兩種排氣活門布置方式下的排氣通道流場進行了計算，通過對計算結果的分析，可以得到以下結論：

（1）在不考慮后續布置管線的情況下，排氣通道的總體流動阻力很小，起落架艙上部的窄縫的流阻在2 Pa的量級。

（2）排氣活門放置在機身中部的起落架艙側壁時，由于駕駛艙距離排氣活門較遠，會導致駕駛艙排氣處于較高的壓力，可能會使得駕駛艙排煙時，煙霧滲透擴散至客艙，而當排氣活門置于駕駛艙下部時，駕駛艙排氣口及下部的空腔處于較低的壓力水平，并且駕駛艙排氣能夠以較短的路徑從排氣活門排出，避免了煙霧擴散滲透至客艙。

（3）當排氣通道和起落架艙上部的窄縫內布置管線時，可能會導致座艙后段排氣的流阻大大增加，若有效流通面積顯著減小時，建議同時在機身后部設置排氣活門。

［1］中國民航局.CCAR-25運輸類飛機適航標準［S］.北京：中國民用航空局，2009.

［2］鄭作棣.運輸類飛機適航標準技術咨詢手冊［M］.北京：航空工業出版社，1995：256.

［3］FAA.AC25-9煙霧探測、穿透及排除試驗以及飛行手冊中相應的應急程序［S］.美國：美國聯邦航空管理局，1986.

［4］董文輝.夏露.一種基于N-S方程的CFD/CSD耦合計算方法［J］.航空工程進展，2011，2（4）：410.

［5］徐敏，安效民，陳士櫓.一種CFD/CSD耦合計算方法［J］.航空學報，2006，27（1）：35.

［6］張大林，昂海松.飛機座艙內空氣速度和溫度分布的數值模擬［J］.南京航空航天大學學報，2002，34（5）：484.

［7］劉靜悅，張大林，紀兵兵.飛機座艙內空氣品質計算［J］.機械制造與自動化.2011，40（5）：7.

Flow Field Calculation Analysis for AircraftCabin Smoke Remove

HUO Sha-sha
（AVIC Aircraft Tesearch and Fevelopment Venter of the Ring Ring Air Rescue Aircraft Control Room，Shaanxi Xi'an 710089，China）

Aircraft cabin（including cockpit and passenger cabin）is working and living space of crew and passengers.As a closed room，the cabin needs an appropriate flow field to provide com fortable temperature and adequate fresh air for passengers.When smoke occurs in the cockpit，smoke remove tunnel shall discharge the smoke out of the aircraft rapidly.This articlemainly analyzes the smoke remove issue through numerical simulation of smoke discharge tunnel flow field.It compares two different types of Cabin Pressure Control System outflow valve layout and provides the basis for system design.

cabin smoke remove；flow field analysis；numerical simulation；CFD

V245.3

A

1672-545X（2016）06-0047-03

2015-03-01

霍莎莎（1989-），女，陜西寶雞人，本科，工程師，主要從事民用飛機引氣系統設計研究。