飛機(jī)客艙空調(diào)系統(tǒng)過濾效果評(píng)估仿真研究

閆 鋒,黃語瑄,袁旭峰,王立綱

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院,四川 廣漢 618307)

0 引言

客機(jī)飛行過程中,座艙內(nèi)的空氣質(zhì)量對(duì)乘客及機(jī)組成員的生命健康具有重要影響。在民航客機(jī)飛行過程中,客艙向乘客提供的空氣由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)引入客艙,空氣在進(jìn)入客艙前飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)會(huì)調(diào)節(jié)空氣壓力和溫度,并通過高效空氣過濾器(High Efficiency Particulate Air Filter,HEPA)進(jìn)行過濾。新冠疫情傳播通常與呼吸道有關(guān),傳播途徑有呼吸道飛沫傳播、接觸傳播和擴(kuò)散的氣溶膠傳播。當(dāng)前用于民用航空飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的過濾器基本上依靠進(jìn)口,供應(yīng)商主要是三家均在美國的公司,分別是唐納森(Donaldson)、普雷特(Pratt)和頗爾(Pall)。以上三家公司研制過濾器起步早,掌握技術(shù)較為先進(jìn),發(fā)展迅速,研制出的產(chǎn)品使用效果好,其對(duì)過濾器研制技術(shù)保密,國內(nèi)空氣過濾器研發(fā)相對(duì)落后。面向國家制造業(yè)的重大需求和人民群眾的生命健康,為早日實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)過濾器,嘗試研究新型材料開發(fā)與制備、高效空氣過濾器的制作工藝和過濾提高效果具有重大意義。

本文選取計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的方法,以ANSYS Fluent仿真軟件,對(duì)民航客機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)中的高效微粒空氣過濾器進(jìn)行流場仿真分析,探究流場中速度、壓力、湍流強(qiáng)度和粒子濃度規(guī)律,輸出粒子軌跡圖,分析物理量散點(diǎn)圖,使過濾器內(nèi)部流場可視化,從而達(dá)到提高過濾效果、優(yōu)化系統(tǒng)功能的目的。

1 HEPA介紹

1.1 飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)

在國外相關(guān)研究中,Dechow等人測量了飛機(jī)座艙內(nèi)顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)污染物(Volatile Organic Contaminant,VOC)參數(shù),對(duì)座艙空氣質(zhì)量進(jìn)行了研究,但未涉及流場特性[1]。Hocking研究得出民航飛機(jī)上使用的過濾器對(duì)0.3 μm粒子過濾效率能達(dá)到99.97%[2]。Pui等人[3]研究得出在座艙內(nèi)使用回風(fēng)過濾器后可使艙內(nèi)顆粒物濃度顯著降低,證明過濾器過濾污染物具有良好特性。Zhao等人[4]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算兩種方式,分別選用六氟化硫(SF6)氣體模擬氣態(tài)污染物,選取0.7 μm粒徑的氣溶膠顆粒模擬固態(tài)污染物,分析了它們?cè)谧搩?nèi)的濃度變化和影響。在國內(nèi)相關(guān)研究中,尹維友[5]建立了一種能夠檢測機(jī)艙過濾器過濾效率的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。曹祎等人[6]以某民用飛機(jī)為研究對(duì)象,提出了一種飛機(jī)座艙顆粒物濃度評(píng)估方法。李政[7]研究得出有效控制飛機(jī)座艙顆粒物污染,對(duì)改善座艙空氣質(zhì)量、防止艙內(nèi)傳染病傳播有重要意義。

飛機(jī)空調(diào)再循環(huán)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。飛機(jī)空調(diào)再循環(huán)系統(tǒng)可以提供通風(fēng),具有減小發(fā)動(dòng)機(jī)引氣、循環(huán)使用部分空氣的作用。高效空氣過濾器安裝在空調(diào)再循環(huán)系統(tǒng)中,將座艙中空氣經(jīng)過消毒過濾、殺菌處理,混合潔凈空氣后,再重新供入到座艙中。座艙空調(diào)系統(tǒng)供氣總量中,再循環(huán)通風(fēng)量約占50%[8]。再循環(huán)系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖1 再循環(huán)系統(tǒng)示意圖

圖2 再循環(huán)系統(tǒng)流程圖

1.2 HEPA過濾機(jī)制

高效空氣過濾器圖如圖3所示。國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)發(fā)布的資料顯示,高效空氣過濾器在0.3 μm鄰苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate,DOP)的HEPA過濾效率為99.97%,將有效降低座艙再循環(huán)空氣中的生物氣溶膠和其他可吸入顆粒物[9]。大多數(shù)空氣過濾器由纖維介質(zhì)(即玻璃纖維)制成,空氣過濾器對(duì)不同粒徑尺寸污染物顆粒的過濾機(jī)制有擴(kuò)散、攔截和慣性碰撞。

圖3 高效空氣過濾器圖

2 HEPA理論方程與計(jì)算模型

2.1 HEPA理論方程

本文研究高效空氣過濾器內(nèi)部流場問題,涉及不可壓縮的粘性流體的控制微分方程,滿足流體力學(xué)有關(guān)質(zhì)量和動(dòng)量守恒[10]。

質(zhì)量守恒方程:

dρ/dt+(d/dxi)·(ρui)=sm

(1)

式中:ρ為流體的密度,單位kg·m-3;t為時(shí)間,單位s;sm為源項(xiàng);xi為i方向上流體經(jīng)過的距離;ui為i方向上的流體表面流速。

動(dòng)量守恒方程:

d/[dt·(pui)]+(d/dxi)·(puiuj)=-dp/dxi+dτij/dxj+pgi+Fi

(2)

式中:p為微分狀態(tài)下流體表面的總靜壓,單位Pa;τij為應(yīng)力張量;gi為i方向上的重力體積力之和,單位N;Fi為i方向上的外部體積力(如離散相互作用產(chǎn)生的升力),單位N。

能量守恒方程:

對(duì)于簡單均質(zhì)多孔介質(zhì),能量簡化公式如下:

(3)

式中:div為對(duì)應(yīng)變量的散度;grad為對(duì)應(yīng)變量的梯度;T為流體表面的溫度 ;cp為比熱容,單位J·(kg·℃)-1;u為流速,單位m·s-1;k為流體的傳熱系數(shù);ST為源項(xiàng)。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)手冊(cè)示意簡圖、實(shí)物圖外形特征,建立高效空氣過濾器簡化幾何模型如圖4所示。簡化模型為一端開口,另一端封閉的多孔網(wǎng)狀空心圓筒。三維模型有限元計(jì)算的網(wǎng)格類型采取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格類型,高效過濾器網(wǎng)格圖如圖5所示,網(wǎng)格總數(shù)為11 928格。

圖4 高效空氣過濾器簡化幾何模型

圖5 高效過濾器網(wǎng)格圖

3 模型仿真分析

3.1 HEPA裝置整體分析

研究對(duì)象選取0.3 μm密度為986 kg·m-3的鄰苯二甲酸二辛酯氣溶膠,以2 m·s-1的流速進(jìn)入過濾器管道后,流經(jīng)玻璃纖維管壁進(jìn)行過濾。

有限元計(jì)算邊界條件設(shè)置速度入口為2 m·s-1,出口設(shè)成一個(gè)大氣壓的壓力出口。求解器設(shè)置為基于壓力求解,速度為絕對(duì)速度,選擇穩(wěn)態(tài)計(jì)算。物理模型選擇黏性k-ω模型中的剪切應(yīng)力傳輸模型,濾芯材料為玻璃纖維,需過濾的污染物顆粒設(shè)為鄰苯二甲酸二辛酯粒子。在迭代求解上,壓力和速度關(guān)聯(lián)算法中的SIMPLE算法使用二階迎風(fēng)格式定常狀態(tài),其余設(shè)置則選擇默認(rèn)值,考慮收斂情況,選擇時(shí)間步長為100 s。獲得進(jìn)出口離散相濃度云圖如圖6所示,進(jìn)出口湍流動(dòng)能矢量圖如圖7所示,截面的速度分布云圖如圖8所示,截面的湍流強(qiáng)度分布云圖如圖9所示。通過截面的速度分布云圖與截面的湍流強(qiáng)度分布云圖可得,過濾器入口處中心速度和中心壓力數(shù)值大,且均向遠(yuǎn)離圓形截面圓心方向呈減小的趨勢(shì),后呈現(xiàn)數(shù)值不變的趨勢(shì)。由離散相濃度云圖可知,入口處污染物擴(kuò)散方式是由中心向周圍擴(kuò)散,經(jīng)濾網(wǎng)后濃度降低。由湍流動(dòng)能矢量圖可知,湍流強(qiáng)度并不是從入口處就達(dá)到峰值,而是在距離入口處大約0.15 m處出現(xiàn)湍流動(dòng)能最大值。大部分污染物進(jìn)入高效過濾器后,沿管道軸線直線運(yùn)動(dòng)到接近末端位置,再運(yùn)動(dòng)到過濾網(wǎng)上,其余少部分污染物在進(jìn)入后,便向過濾網(wǎng)處運(yùn)動(dòng),或沿管道軸線直線運(yùn)動(dòng)一段距離后,向?yàn)V網(wǎng)處運(yùn)動(dòng)。污染物濃度經(jīng)過過濾作用,不斷降低。

圖6 進(jìn)出口離散相濃度云圖

圖7 進(jìn)出口湍流動(dòng)能矢量圖

圖8 截面的速度分布云圖

圖9 截面的湍流強(qiáng)度分布云圖

3.2 粒子運(yùn)動(dòng)特性分析

Fluent中的Plots(繪圖)工具生成X/Y坐標(biāo)軸散點(diǎn)圖,可以清晰直觀地看到各物理量隨軸線位置變化的具體數(shù)值、變化過程和趨勢(shì)。截面粒子沿X軸靜壓曲線如圖10所示,可以看出靜壓不隨軸向位置變化。截面粒子沿X軸速度曲線如圖11所示,可知速度隨著軸向位置坐標(biāo)增大而降低,表明固體污染物顆粒在過濾器內(nèi)部作用下速度不斷降低。截面粒子沿X軸湍流強(qiáng)度曲線如圖12所示,截面粒子沿X軸湍流動(dòng)能曲線如圖13所示。可知距離入口處大約0.15 m處出現(xiàn)湍流強(qiáng)度和湍流動(dòng)能的最大值。

圖10 截面粒子沿X軸靜壓曲線

圖11 截面粒子沿X軸速度曲線

圖12 截面粒子沿X軸湍流強(qiáng)度曲線

圖13 截面粒子沿X軸湍流動(dòng)能曲線

粒子軌跡圖反映的是每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)入高效空氣過濾器內(nèi),污染物粒子向過濾器內(nèi)壁運(yùn)動(dòng),經(jīng)擴(kuò)散、攔截和撞擊留在過濾器內(nèi),達(dá)到過濾效果。部分粒子也會(huì)先沿軸線運(yùn)動(dòng)一段距離后,再向過濾器內(nèi)壁運(yùn)動(dòng),因?yàn)V網(wǎng)過濾作用,污染物粒子速度逐漸降低。粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖和截面粒子速度矢量圖分別如圖14和圖15所示。

圖15 截面粒子速度矢量圖

4 結(jié)論

對(duì)高效空氣過濾器建立三維模型,并進(jìn)行流體力學(xué)仿真分析,得到以下結(jié)論:

(1)濾網(wǎng)使污染物粒子發(fā)生壓降,污染物粒子接近濾網(wǎng)區(qū)域,湍流強(qiáng)度較強(qiáng)。

(2)經(jīng)過高效空氣過濾器粒徑0.3 μm的污染物顆粒,污染物擴(kuò)散方式由中心向周圍擴(kuò)散,經(jīng)濾網(wǎng)后濃度降低。