林家泉, 李彎彎
中國民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 天津 300300
基于PMV-PPD的地面空調(diào)最佳送風(fēng)速度
林家泉*, 李彎彎
中國民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院, 天津 300300
針對(duì)目前飛機(jī)地面空調(diào)恒速送風(fēng)所造成的客艙熱舒適性和節(jié)能效果不佳的問題,運(yùn)用CFD技術(shù)建立了Boeing737 飛機(jī)客艙的仿真模型,并通過實(shí)驗(yàn)室1∶1尺寸的Boeing737實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行驗(yàn)證,證明所建立的CFD模型合理有效。在此模型基礎(chǔ)上,模擬了飛機(jī)客艙內(nèi)的風(fēng)速場、溫度場,根據(jù)采樣點(diǎn)的風(fēng)速和溫度,分別得到不同送風(fēng)速度下的客艙內(nèi)熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV和PPD,通過高斯擬合得到地面空調(diào)送風(fēng)速度與PPD平均值之間的曲線關(guān)系,求解得到了滿足熱舒適性要求的地面空調(diào)最佳送風(fēng)速度,從而實(shí)現(xiàn)地面空調(diào)的節(jié)能控制。
地面空調(diào); 熱舒適性; 數(shù)值模擬; 高斯擬合; 最佳送風(fēng)速度
國外民航飛機(jī)在機(jī)坪過站、短停時(shí),不使用機(jī)載空調(diào)系統(tǒng),而是使用懸掛在廊橋下方的地面空調(diào),至今已有20年的歷史[1],中國從2012年才開始推廣使用這項(xiàng)技術(shù)。由地面機(jī)務(wù)人員將地面空調(diào)送風(fēng)軟管與客艙空調(diào)管道連接,通過地面空調(diào)給客艙輸送冷氣,這樣做是因?yàn)?,機(jī)載空調(diào)的運(yùn)行需要消耗航空煤油,運(yùn)行成本高且污染環(huán)境,而地面空調(diào)使用工業(yè)電能,經(jīng)濟(jì)且不污染機(jī)坪空氣環(huán)境。某機(jī)場統(tǒng)計(jì)了Boeing737客機(jī)使用地面空調(diào)替代機(jī)載空調(diào)的效益,單臺(tái)地面空調(diào)機(jī)組每年節(jié)省燃油消耗160 t,減少CO2排放約500 t,按航空煤油與電能的差價(jià)計(jì)算,每年可節(jié)約110萬元[2]。文獻(xiàn)[1]提供的數(shù)據(jù)顯示,使用地面空調(diào)的節(jié)能率大于83%,環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。
近幾年,隨著計(jì)算機(jī)硬件和算法的發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[3-6],也成為研究飛機(jī)客艙空氣流動(dòng)的主要工具[7-8]。目前國內(nèi)外關(guān)于飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)熱舒適性已有很多研究,具體包括不同送風(fēng)形式對(duì)飛機(jī)客艙環(huán)境的影響[9-11],不同季節(jié)飛機(jī)客艙內(nèi)的舒適性[12],不同送風(fēng)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)客艙熱舒適性的影響[13-15],以及太陽輻射對(duì)飛機(jī)駕駛艙熱舒適性影響的分析[16]等。因此,本文以地面空調(diào)為研究背景,結(jié)合熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV-PPD (Predicted Mean Vote-Predicted Percentage of Dissatisfied people)[17-18],采用CFD技術(shù)對(duì)地面空調(diào)不同送風(fēng)速度下客艙內(nèi)風(fēng)速場、溫度場以及熱舒適性的影響進(jìn)行了模擬及分析。
飛機(jī)地面空調(diào)為飛機(jī)客艙制冷如圖1所示。出于安全的原因,地面空調(diào)不能與機(jī)載空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞,導(dǎo)致無法獲取客艙內(nèi)的溫度信息,因此目前地面空調(diào)的送風(fēng)控制實(shí)質(zhì)是處于開環(huán)狀態(tài),地面空調(diào)采用恒風(fēng)速送風(fēng),是一種“粗放”的控制,沒有考慮客艙內(nèi)溫度、客艙外空氣溫度、太陽輻射等因素,造成能源浪費(fèi)和制冷效果不佳。
圖1 地面空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Ground air conditioning system
針對(duì)這一問題,本文采用CFD技術(shù)建立飛機(jī)客艙仿真模型,并結(jié)合熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)PMV-PPD,對(duì)飛機(jī)地面空調(diào)送風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行研究。
建立了與Boeing737客機(jī)等比例的模擬艙實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖2所示,其中圖2(a)為模擬艙的地面空調(diào)機(jī)組,圖2(b)為Boeing737模擬艙結(jié)構(gòu)。
按照Boeing737模擬艙的真實(shí)尺寸建立了五排座滿員的客艙仿真模型,如圖3所示,模型包括飛機(jī)蒙皮、內(nèi)客艙、客艙窗戶、進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、座椅模型、人體模型。進(jìn)風(fēng)口1為客艙頂層進(jìn)風(fēng)口,進(jìn)風(fēng)口2為客艙側(cè)壁進(jìn)風(fēng)口。
由于飛機(jī)客艙模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)客艙進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),采用四面體主導(dǎo)的混合網(wǎng)格劃分法,算法采用協(xié)調(diào)分片算法,最大單元尺寸設(shè)置為16 mm,生成的網(wǎng)格數(shù)量為8 183萬左右。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及計(jì)算資源的合理利用,網(wǎng)格劃分時(shí)分別對(duì)客艙內(nèi)進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、人員及壁面附近區(qū)域進(jìn)行了加密處理[19],客艙網(wǎng)格截面圖如圖4所示。
圖2 Boeing737客艙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Boeing737 cabin experimental platform
圖3 飛機(jī)客艙三維示意圖Fig.3 3D diagram of aircraft cabin
圖4 飛機(jī)客艙網(wǎng)格截面圖Fig.4 Cross-section diagram of aircraft cabin grid
飛機(jī)??吭跈C(jī)場時(shí),地面空調(diào)為飛機(jī)客艙進(jìn)行送風(fēng),由于客艙內(nèi)空氣流速低,將飛機(jī)客艙內(nèi)的空氣看作不可壓黏性流體,且選用穩(wěn)態(tài)RNGk-ε湍流模型對(duì)客艙夏季制冷過程進(jìn)行仿真,RNGk-ε控制方程為[10]
(1)
1) 進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口邊界條件:進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別設(shè)置為速度入口和出流出口,湍流強(qiáng)度均為5%。
2) 飛機(jī)客艙壁面的熱邊界條件:飛機(jī)蒙皮、客艙外層玻璃受到外界熱流和太陽輻射的共同作用,選擇對(duì)流與外部輻射混合作為熱邊界條件;內(nèi)客艙壁選擇對(duì)流熱交換作為邊界條件,人體為固定溫度。
3) 夏季太陽輻射邊界條件:選取2016年6月15日12時(shí)天津機(jī)場環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬,太陽輻射強(qiáng)度為873.711 W/m2,飛機(jī)的方位為機(jī)頭朝東。
根據(jù)Chen[20]的建議,首先要對(duì)CFD計(jì)算進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)的邊界條件設(shè)定為:空調(diào)的送風(fēng)量為1 200 m3/h,送風(fēng)溫度為295.15 K,客艙壁面、地板等溫度為298.15 K(由于模擬艙在室內(nèi),所以驗(yàn)證時(shí)不考慮太陽輻射)。測量位置如圖3中的L1~L6所示,圖5為模擬艙內(nèi)所用的測量裝置,在圖中的垂直桿上均勻放置了5個(gè)溫度傳感器,分別測量L1~L6位置不同高度處的溫度值,然后將實(shí)驗(yàn)測量值與CFD模擬值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖6所示,圖中實(shí)線為CFD模擬值,離散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測量值。從圖6中可以看出,實(shí)驗(yàn)測量值與數(shù)值模擬值有一定的差異,但是整體的變化趨勢是相近的。其中L1、L2處的誤差最大,這是由于模擬艙的入口是玻璃材質(zhì),易受艙外溫度影響,造成誤差值較大,剔除最大誤差,實(shí)驗(yàn)測量值與數(shù)值模擬值的平均誤差處于合理區(qū)間范圍內(nèi)[21],可驗(yàn)證所建立的CFD飛機(jī)客艙模型是合理有效的。
圖5 模擬艙內(nèi)部測量裝置Fig.5 Internal measuring device in simulation cabin
圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的溫度值對(duì)比(實(shí)線為模擬值,離散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值) Fig.6 Comparison of temperature experimental and simulation results (the solid line for simulation and discrete points for experiment)
為了能更好地分析地面空調(diào)送風(fēng)速度對(duì)客艙內(nèi)溫度場及熱舒適性的影響,在客艙內(nèi)每一排乘客的前5 cm處取橫截面,共計(jì)5個(gè)截面,并在每個(gè)截面上選取24個(gè)采樣點(diǎn),分別為頭部采樣點(diǎn)、腰部采樣點(diǎn)、腿部采樣點(diǎn)、腳部采樣點(diǎn),共計(jì)120個(gè),如圖7所示。
圖7 客艙內(nèi)所選取的截面及采樣點(diǎn)Fig.7 Cross-section and sampling points in cabin
為分析夏季工況下地面空調(diào)送風(fēng)速度對(duì)客艙內(nèi)環(huán)境的影響,分別對(duì)不同送風(fēng)速度下客艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)行仿真。
地面空調(diào)的送風(fēng)會(huì)使得客艙內(nèi)的空氣組織有規(guī)律的運(yùn)動(dòng),客艙內(nèi)需要通過氣流的流動(dòng)來達(dá)到降溫的目的,因此首先需要分析客艙內(nèi)氣流的流動(dòng)規(guī)律。圖8為送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí),客艙內(nèi)中間采樣截面上的風(fēng)速場。
從圖8可以看出,截面上各個(gè)位置的風(fēng)速既有大小又有方向。頂層進(jìn)風(fēng)口為條縫型進(jìn)風(fēng)口,側(cè)壁進(jìn)風(fēng)口為側(cè)送貼附送風(fēng)方式,由于客艙內(nèi)溫度高于送風(fēng)溫度,造成了水平射流軸線的向下彎曲,頂層進(jìn)風(fēng)口左側(cè)的射流邊界受到客艙壁的影響,不斷卷吸周圍空氣形成回流,而回流范圍有限,使得射流外逸,側(cè)壁進(jìn)風(fēng)口左側(cè)的一部分射流與回流閉合形成大渦流。而頂層進(jìn)風(fēng)口右側(cè)的射流沿客艙壁與側(cè)壁進(jìn)風(fēng)口右側(cè)射流以及左側(cè)的另一部分射流混合后向下流動(dòng),受到座椅的阻擋,射流向上偏移,在客艙中部分成了2個(gè)方向,一部分向客艙左側(cè)流動(dòng),另一部分經(jīng)過過道分別與兩側(cè)回風(fēng)口形成回流。隨著射流射程的變長,射流能充分衰減,使得送風(fēng)速度越來越小,而乘客頭部風(fēng)速約為0.1 m/s,遠(yuǎn)低于ANSI/ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)161-2007中要求客艙內(nèi)空氣流速低于0.3 m/s的規(guī)定[22]。
送風(fēng)速度從0 m/s增大到4.0 m/s的過程中,人體周圍的風(fēng)速也在不斷增大,當(dāng)送風(fēng)速度小于3.0 m/s時(shí),乘客頭部附近的風(fēng)速低于0.3 m/s,滿足文獻(xiàn)[22]標(biāo)準(zhǔn),然而當(dāng)送風(fēng)速度大于3.0 m/s時(shí),部分乘客頭部附近的風(fēng)速高于0.3 m/s,不滿足文獻(xiàn)[22]標(biāo)準(zhǔn)。
圖8 送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí)的風(fēng)速場Fig.8 Wind velocity field for inlet wind speed=2.0 m/s
飛機(jī)客艙通過改變地面空調(diào)送風(fēng)速度來達(dá)到降溫的目的,送風(fēng)速度不同,客艙內(nèi)溫度也會(huì)有所變化,分別對(duì)不同送風(fēng)速度下客艙的溫度場進(jìn)行仿真分析。圖9為送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí),2016年6月15日12時(shí)客艙內(nèi)截面的溫度分布圖,圖中左側(cè)為南,右側(cè)為北。
由圖9可以看出,由于太陽輻射的作用,左側(cè)座椅處的溫度高于右側(cè),這是由于此時(shí)太陽直射飛機(jī)機(jī)體的朝南面,使得左側(cè)蒙皮及玻璃的溫度升高,通過傳熱,致使客艙內(nèi)左側(cè)的溫度偏高??团搩?nèi)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速相對(duì)于其他位置較大,從而造成進(jìn)風(fēng)口附近的溫度較低,隨著距離的增大,風(fēng)速會(huì)逐漸減小,且座椅及人體對(duì)氣流的阻擋,使得人體附近的氣流流動(dòng)緩慢,導(dǎo)致人體附近的溫度比過道的溫度偏高。根據(jù)頭部采樣點(diǎn)和腳部采樣點(diǎn)的溫度值,可以得出送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí)兩者之間的垂直溫差小于2.8 K,除了部分特殊位置,客艙溫度范圍為292.305~297.066 K,滿足文獻(xiàn)[22]的規(guī)定。
送風(fēng)速度從0 m/s增大到4.0 m/s的過程中,客艙內(nèi)的溫度整體呈下降趨勢,送風(fēng)速度在0~1.0 m/s的范圍內(nèi)時(shí),客艙內(nèi)溫度較高,送風(fēng)速度大于3.0 m/s時(shí),部分乘客的頭部到腳部的垂直溫差大于2.8 K,均不滿足文獻(xiàn)[22]的規(guī)定。
圖9 送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí)的溫度場Fig.9 Temperature field for inlet wind speed=2.0 m/s
為了評(píng)估地面空調(diào)制冷過程中飛機(jī)客艙內(nèi)熱環(huán)境是否達(dá)到舒適性要求,本文采用PMV指標(biāo)來研究飛機(jī)客艙內(nèi)的熱舒適性,綜合考慮了客艙環(huán)境及人的自身因素,其表達(dá)式[16]為
PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.028]·
fclhc(Tcl-T)+3.05×
10-3[5 733-6.99(M-W)-pa]-
0.42(M-W-58.15)-1.7×
10-3(5 876-pa)-0.001 4M(34-T)}
(2)
式中:M為新陳代謝量,W/m2;W為人輸出的外功,W/m2;fcl為著衣體表面與裸體表面之比;T為當(dāng)?shù)氐目諝鉁囟龋琄;Tcl為衣服外表面的溫度,K;Tr為平均輻射溫度,K;hc為衣服與空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);pa為水蒸氣分壓力,Pa。PMV與人熱感覺的關(guān)系如表1所示。
圖10為2.0 m/s送風(fēng)速度時(shí)客艙內(nèi)截面上PMV的分布圖。對(duì)比溫度分布圖可以看出,由于進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速偏高,溫度偏低,使得其附近的PMV值相比較其他位置較低,而人體及座位對(duì)氣流組織的阻擋,使得座位附近的風(fēng)速減小,溫度增加,從而造成PMV值變大,受太陽輻射及客艙壁傳熱的影響,靠近客艙壁的座位處的PMV值高于其他座位處的PMV值,但人體處的PMV值均在-0.1~0.33,滿足國際化組織ISO7730中對(duì)熱舒適的要求[23]:-0.5≤PMV≤+0.5。
表1PMV與人熱感覺的關(guān)系
Table1RelationshipbetweenPMVandhumanthermalsensation
PMVThermalsensation-3Cold-2Cool-1Slightlycool0Neutral1Slightlywarm2Warm3Hot
圖10 送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí)的PMV值Fig.10 PMV value for inlet wind speed=2.0 m/s
為了更好地反映客艙內(nèi)環(huán)境對(duì)乘客舒適性的影響,在客艙內(nèi)每個(gè)截面上頭部、腰部、腿部、腳部位置選取24個(gè)采樣點(diǎn),共計(jì)120個(gè)采樣點(diǎn),如圖7(b)所示。根據(jù)式(2)計(jì)算出不同送風(fēng)速度下PMV值,如圖11所示,其中離散點(diǎn)為不同送風(fēng)速度下所求采樣點(diǎn)的PMV平均值。
根據(jù)圖11可以看出, PMV值的變化趨勢為隨送風(fēng)速度的增大而減小。當(dāng)送風(fēng)速度小于1.21 m/s 時(shí),PMV平均值在0.5~2.39之間,乘客會(huì)感覺熱,當(dāng)送風(fēng)速度大于2.85 m/s時(shí),PMV平均值低于-0.5,不滿足國際化組織ISO7730中對(duì)熱舒適的要求[23]。
即使PMV=0,也很難使所有乘客都對(duì)當(dāng)前熱環(huán)境滿意,故又提出預(yù)測不滿意百分率PPD表示乘客對(duì)客艙熱環(huán)境的不滿意度[17],兩者的關(guān)系式為
PPD=100-95exp(-0.033 53PMV4-0.217 9PMV2)
(3)
圖12為2.0 m/s送風(fēng)速度時(shí)客艙內(nèi)截面上PPD的分布圖。從圖中可以看出,進(jìn)風(fēng)口附近的PPD值明顯大于客艙內(nèi)的其他位置,由于過道處的溫度低風(fēng)速大,客艙壁附近的溫度高風(fēng)速小,使得這兩處的PPD值明顯大于人體座椅處的PPD值,且人體處的PPD平均值小于5%,滿足國際化組織ISO7730中對(duì)熱舒適的要求[23]:PPD≤10%。
圖11 不同送風(fēng)速度下的PMV平均值Fig.11 Average value of PMV at different inlet wind speed
根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算出不同送風(fēng)速度下的PPD值,如圖13所示,其中離散點(diǎn)為不同送風(fēng)速度下所求采樣點(diǎn)的平均PPD值,再對(duì)這些離散點(diǎn)進(jìn)行高斯擬合得到送風(fēng)速度v與PPD平均值的關(guān)系,如圖中曲線所示。
經(jīng)過高斯擬合所得關(guān)系式為
(4)
從圖13中可以看出,送風(fēng)速度的改變導(dǎo)致PPD值變化,變化趨勢為先減小后增大,說明送風(fēng)速度過小、過大都會(huì)增加乘客對(duì)客艙內(nèi)熱環(huán)境的不滿意率。根據(jù)國際化組織ISO7730[23]中對(duì)熱舒適的要求:-0.5≤PMV≤+0.5,PPD≤10%,結(jié)合式(4)得到滿足標(biāo)準(zhǔn)的地面空調(diào)最佳送風(fēng)速度區(qū)間為[1.21, 2.48] m/s,此送風(fēng)速度區(qū)間可以使飛機(jī)客艙內(nèi)的熱舒適性較好且能使絕大多數(shù)乘客感到滿意,為地面空調(diào)機(jī)組的節(jié)能控制提供理論依據(jù)。
圖12 送風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí)的PPD值Fig.12 PPD value for inlet wind speed=2.0 m/s
圖13 不同送風(fēng)速度下的PPD平均值Fig.13 Average value of PPD at different inlet wind speed
本文建立了Boeing737飛機(jī)客艙仿真模型,在此模型基礎(chǔ)上運(yùn)用CFD技術(shù)進(jìn)行了不同送風(fēng)速度下飛機(jī)客艙內(nèi)部的氣流組織模擬和熱舒適性分析。
1) 數(shù)值模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的對(duì)比證明了所建立的飛機(jī)客艙模型的合理性。
2) 結(jié)合熱舒適性指標(biāo)PMV-PPD,得到地面空調(diào)的最佳送風(fēng)速度區(qū)間為[1.21,2.48] m/s。
3) 相對(duì)于目前地面空調(diào)恒風(fēng)速送風(fēng)造成的過度制冷工況,以熱舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)得到的最佳送風(fēng)速度為客艙制冷,可以獲得更好的客艙熱舒適性,并節(jié)約能源。
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(責(zé)任編輯: 李明敏)
*Correspondingauthor.E-mail:jqlin@cauc.edu.cn
BestwindspeedofgroundairconditioningsystembasedonPMV-PPD
LINJiaquan*,LIWanwan
InstituteofElectronicInformationandAutomation,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China
Toaddresspoorcabincomfortandenergyefficiencycausedbyconstant-velocityairsupplyofgroundairconditioning,thecabinsimulationmodelforBoeing737isbuiltbyCFDmethod.ThesizeofthesimulationcabinisthesameasthatofBoeing737.Validityofthemodelisverifiedbylaboratoryexperiments.Basedonthismodel,theeffectsofdifferentairsupplyvelocityonthetemperaturefieldandwindvelocityfieldaresimulated.ThevaluesofwindspeedandtemperatureareusedtocalculatethePMVandPPDatthesamplepoints.TherelationshipbetweenthegroundairconditioningairsupplyvelocityandthePPDisalsofittedbytheGaussianfittingcurvemethod.Thebestairsupplyvelocityrangeisobtainedtomeetthethermalcomfortrequirement,providingbasisforenergy-savingofgroundairconditioning.
groundairconditioning;thermalcomfort;numericalsimulation;Gaussianfitting;bestwindspeed
2016-12-30;Revised2017-04-06;Accepted2017-04-27;Publishedonline2017-05-031640
URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170503.1640.002.html
s:JointFundoftheNationalNaturalScienceFoundationofChinaandtheCivilAviationAdministrationofChina(U1433107);NaturalScienceFoundationofTianjin(13JCYBJC42300)
2016-12-30;退修日期2017-04-06;錄用日期2017-04-27; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間
時(shí)間:2017-05-031640
www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170503.1640.002.html
國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國民航局聯(lián)合基金 (U1433107); 天津市自然科學(xué)基金 (13JCYBJC42300)
.E-mailjqlin@cauc.edu.cn
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http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn
10.7527/S1000-6893.2017.121089
V245.3
A
1000-6893(2017)08-121089-08