基于CFD對飛機客艙的舒適度分析

趙明申 嚴平

摘? 要：參照客機C919客艙空調系統，對客機客艙的幾何模型內部進行了速度和溫度流場的詳細分析。運用商用CFD軟件Fluent模擬艙內空氣流動，記錄艙內人體周圍各個關鍵位置的空氣溫度以及速度，從而給乘客帶來最佳的舒適體驗。在考慮熱天情況下，給定艙內初始溫度以及出風速度，通過調整送風口的不同角度，計算人體舒適性結果。根據計算得到的速度和溫度云圖，進而獲得乘客的最佳舒適性工況。發現當送風口角度調整為右偏25°時，乘客會獲得較好的乘坐體驗。

關鍵詞：客機客艙;速度和溫度流場;CFD;人體舒適性

中圖分類號：F560? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Referring to the air conditioning system of C919 cabin， the velocity and temperature flow fields inside the geometric model of the passenger cabin are analyzed in detail. The commercial CFD software fluent is used to simulate the air flow in the cabin and record the air temperature and speed of each key position around the human body in the cabin， so as to bring the best comfortable experience to the passengers. In the case of hot weather， given the initial temperature and air velocity in the cabin， the human comfort results are calculated by adjusting the different angles of the air supply outlet. According to the calculated speed and temperature nephogram， the best comfort condition of passengers can be obtained. It is found that when the air supply outlet angle is adjusted to 25° to the right， passengers will get a better ride experience.

Key words： passenger cabin; velocity and temperature flow field; CFD; human comfort

0? 引? 言

隨著社會經濟飛速發展，越來越多的人選擇飛機作為交通工具。作為民用飛機制造商，在設計階段明確經濟性、安全性、舒適性和環保性的總體設計思想將變得尤為重要。隨著市場趨于飽和造成的激烈競爭以及旅客要求的不斷提高，舒適性受到越來越多的關注。此外，研究表明，舒適度的改善與乘客選擇意愿的提升有密切關系，提升乘客在飛行過程中的舒適感，能夠大大提高乘客對該航空公司的好感[1]。因此，如何在設計過程中體現“以人為本”的設計原則，提升民機客艙的舒適性顯得愈來愈重要[2]。本文將在CFD的基礎上對空調送風的角度進行探究，如何選擇合適的送風角度來提高乘客的舒適感。

1? 客艙內部氣流場的建模研究

本研究采用計算流體動力學（CFD）軟件ANSYS Fluent對C919客艙的簡化模型進行空氣速度流場和溫度流場的數值模擬，因為客艙送風速度相對較低，所以將客艙內的空氣流動看作是不可壓縮的湍流，其密度設置為常數。采用的控制方程如下：

連續性方程：

=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

動量方程：

=+μ+-μ+ρg? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

上述表達的2個公式中，其中u為駕駛艙內的氣流速度，單位是（m/s），P為空氣靜壓，單位是（Pa），ρ為駕駛艙內的空氣密度，單位為（kg/m3），g則為重力加速度，單位是（m/s2），μ為動力的黏度，單位是（Pa·s）。

計算選用的湍流模型為Realizable κ-ε模型[3-4]，其對應的湍流動能κ和其耗散率ε的運輸方程分別為：

=μ++μ+-ρε? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

=μ++ρcE-ρc? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

E=2EE? ? E=+? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

在上述表達的3個公式中，其中u、u分別對應的是x和x方向的時均速度。x為直角坐標系的3個軸坐標，μ為湍動黏度，單位是（Pa·s），v為空氣運動的黏度，單位是（m2/s），E為時均應變張力，其中一般取值為C=1.44，C=1.92，σ=1.0，σ=1.2。

2? 物理模型

本文將對夏季大型客機C919在地面狀態下艙內空氣流動特性和舒適性的數值模擬，利用繪圖軟件構建客艙的二維模型，并對此進行簡化。簡化之后的縱剖面如圖1所示。該模型主要有四部分構成：行李架、機身、乘客和座椅。其中前后排距為820mm，行李架高度為1 620mm，天花板高度為2 220mm。3個送風口設置在行李架下方，3個回風口設置在旅客腳旁。我們可以繼續簡化模型，將乘客、座椅及行李架處理為壁面，由此得到計算域模型，如圖2所示。將簡化之后的二維模型導入到Mesh當中進行網格劃分。

3? 結構化網格與非結構化網格

在CFD計算中采用的網格，按網格節點之間的鄰近關系大致可分為：結構化網格、非結構化網格和混合網格[5]。結構化網格（如圖3所示）從嚴格的意義上來講，其網格內部的點都是具有相同的單元，而且每個點都具有相同數量的鄰點。因此，結構化網格相比非結構化網格的生成速度要快很多[6]。并且結構化網格內部的結構相對簡單，質量也比較穩定，在流體和表面應力集中計算當中應用廣泛。而非結構化網格的定義則與結構化網格的定義相對立。對于非結構化網格（如圖4所示），網格區域內的內部點不具有相同的毗鄰單元[7]。所以這種非結構化網格的內部相連單元的網格數目不同。因為實際工程中物體多為不規則的幾何圖形，所以非結構化網格比結構化網格應用更廣[8-9]。

劃分網格時（如圖5所示），選擇網格類型要根據實際模型和問題條件，綜合考慮幾何模型的形狀，借此做出最合理的判斷。本文研究的是客機座艙空氣流動特性，因為模型結構較為簡單故采用網格質量較高的結構化網格，同時結構化網格還具有穩定性好、收斂快和精確度高等其它優點[10]。

4? 客艙內部氣流速度場和溫度流場的數值模擬

4.1? 人體縱向剖面的數值模擬。本文主要介紹利用ANSYS Fluent軟件對C919客艙的簡化模型，并對其縱剖面進行精確的數值模擬。對C919客艙的幾何模型內部進行了速度流場和溫度流場的詳細分析。并且利用Fluent中的CFD_Post軟件，對C919客艙數值模擬的結果進行后處理。本文主要研究C919客艙空氣系統中送風口的送風角度對人體舒適性的影響。

分析中首先對比了機艙橫剖面內氣流在不同送風角度的情況下分別模擬了速度流場和溫度流場。為了更直觀地顯示出在不同角度下的送風效果，在這里采用瞬態算法，步長為0.1s，時間步數為300，每個時間步迭代的次數限制為100，并對此進行分析得到送風角度舒適性區間的大致范圍。通過對速度流線軌跡圖當中線的走向和速度云圖中各區域顏色的深淺，來判斷氣流分布和各區域氣流流動的速度是否符合舒適性標準。并且通過對比不同送風角度下模擬出的溫度云圖進行對比，綜合評價客艙溫度分布情況對乘客舒適性的影響。

4.2? 速度云圖對比。設Y軸負半軸為0°，送風角度向左為負，向右為正。在20°、25°、30°和35°的送風角度下，客艙內氣流的速度流線軌跡圖如圖6所示。

由于采用的是瞬態算法，所以在相同的時間內，可以很容易地看出在不同角度下的送風效果。已知送風速度均為0.8m/s，從流線軌跡圖當中可以清楚地看到不同送風角度下客艙內部氣流的流動狀況。對比發現送風角度為25°和30°時的射流比20°與35°的更平滑，流動的氣流更集中在乘客附近，因此送風角度為25°和30°的氣流流動特性更好。由圖6可知在客艙內主要有6個氣流旋渦，空調系統在25°與30°角度向下送風時，射流較為集中地流向回風口，部分氣流在向下流動的過程中被座椅阻擋形成一個氣流旋渦，該旋渦在乘客前方形成一個良好的空氣循環，其速度大約為0.3m/s，這種風速會給乘客帶來非常舒適的體驗。在這股氣流的頂部，與出風口的風相遇，在右上角形成了另一個氣流旋渦。同樣的道理，也能得到其他4個氣流旋渦的形成。

各個送風角度相應的速度云圖如圖7所示。

通過對4張速度云圖進行對比，可以發現當送風角度位于20°到25°之間時，氣流流動主要位于乘客右前方，在炎熱的夏季，既可以快速讓乘客感到涼爽，也避免了冷氣距離乘客過近帶來的不適感，同時也形成了良好的空氣循環;當送風角度位于30°到35°之間時，氣流流動主要分布在座椅周圍，降溫效果不是特別明顯，在一定程度上造成了能量消耗，而且空氣流動呈波浪線，氣流流動不穩定，并且在這個角度下后排乘客的空調風會影響到前排乘客，難免會影響到前排乘客的乘坐體驗，甚至會引起不必要的麻煩。由此可以得出結論，在相同時間下，送風角度在20°到25°之間時，降溫效果明顯，氣流特性較好，在炎熱的夏季容易得到乘客的青睞。

4.3? 溫度云圖對比。在客艙縱剖面數值模擬中，風速和送風溫度對舒適性有巨大的影響。本文設置壁面初始溫度為308K，送風溫度為291K。如果在乘客周圍的空氣溫度在294K（21℃）左右，就可以認為達到了降溫的目的。4個不同送風角度下的溫度云圖如圖8所示。

對比上面的五張溫度云圖，送風角度為20°和25°時，客艙內的溫度下降較快;送風角度為30°、35°時，溫度下降的則不是那么明顯。送風角度為30°時，座艙內熱量分布最均勻。從乘客舒適性的角度來看，送風角度在30°時，乘客附近的空氣溫度大致為294K（21℃）;送風角度為20°時，乘客附近的空氣溫度為293K左右;送風角度為25°時，乘客附近的空氣溫度也在294K左右;送風角度為35°時，乘客附近的空氣溫度比前面所有角度都高。

5? 結? 論

本文的主要工作內容是運用Fluent及其它一些軟件，對C919座艙內的氣流流動特性進行數值模擬。經過對結果的分析與比較，可以得到在客艙縱軸剖面中，送風角度為20°、25°、30°和35°的速度流線軌跡圖都會形成6個氣流旋渦，且送風角度為25°和30°時的流線較20°、35°更平滑，25°角度又是這三個角度里面最好的。20°、25°和30°送風時，射流都能較為集中地流向回風口，在乘客周圍形成氣流旋渦，利于空氣對流循環，為座艙提供一個安全舒適的環境，而在這些角度中，25°送風時座艙內的氣流特性最好。在溫度云圖中，能夠清晰具體的看出乘客每個部位的氣流溫度，結合座艙溫度的舒適性標準，可以得到，與其他送風角度相比，送風角度為25°左右時，乘客附近氣流溫度為21攝氏度左右，是最舒適的。但由于計算量的緣故，并不能對每個角度都進行具體分析，所以無法找到最佳角度。但是上述計算過程，也給飛機生產廠商帶來了思路。送風角度的合理與否，對于乘客的舒適度體驗也是不可或缺的一環。

參考文獻：

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