楊文強(qiáng)

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089）

隨著社會(huì)發(fā)展，大型客機(jī)已成為越來越重要的交通出行工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前全球大約25%以上的旅客選擇了航空客運(yùn)的出行方式[1]，其中將近5%的出行人員患有心肺功能障礙疾病[2]，這對(duì)客艙空氣環(huán)境提出了更加嚴(yán)格的要求。然而，現(xiàn)代客機(jī)的客艙空氣環(huán)境不是很理想，因?yàn)榇蟛糠殖丝徒?jīng)常感覺過冷或過熱，對(duì)客艙環(huán)境不是很滿意[3]，滿足乘客健康和舒適需求的客艙環(huán)境就顯得特別重要。

大型飛機(jī)客艙氣流組織（即客艙內(nèi)空氣流速分布與溫度分布）主要由供入客艙內(nèi)空氣的流速、溫度，客艙的供氣口、排氣口的物理外形及其相對(duì)安裝位置、客艙內(nèi)部總體布局和影響客艙空氣流動(dòng)換熱的多種熱載荷所決定。一方面，氣流組織不同，客艙空氣分布及控制效果也不一樣；另一方面，良好的氣流組織使得環(huán)控系統(tǒng)制冷量得到有效利用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

客艙氣流組織型式及送風(fēng)方式性能的優(yōu)劣需要給出科學(xué)的評(píng)價(jià)。大型飛機(jī)客艙氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)包括舒適性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面。舒適性指標(biāo)用于評(píng)價(jià)客艙內(nèi)氣流組織的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)能否滿足乘員的舒適要求；經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)則要求在達(dá)到通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)使能量消耗為最低。

當(dāng)前，國外主要針對(duì)客機(jī)開展研究，以實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬為手段，集中于測(cè)試方法以及數(shù)學(xué)模型的求解。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面，均在地面靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，無法準(zhǔn)確獲取氣流組織受干擾后的特性；在數(shù)值模擬方面，均簡化了客艙模型，忽略了客艙中供氣口、排氣口及再循環(huán)系統(tǒng)對(duì)氣流組織的影響[4-11]。國內(nèi)主要針對(duì)飛機(jī)駕駛艙開展研究，以數(shù)值模擬為手段，集中于計(jì)算結(jié)果的分析研究，以人體舒適度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12-18]。

良好的客艙氣流組織能夠更好地滿足民用飛機(jī)的舒適性和經(jīng)濟(jì)性要求，從而帶來較大的商業(yè)價(jià)值。因此，開展基于供氣溫度參數(shù)、地板排氣通道面積、再循環(huán)空氣流量和客艙排氣活門安裝位置的氣流組織研究，最后對(duì)客艙空氣齡分布進(jìn)行數(shù)值模擬仿真以評(píng)價(jià)客艙氣流組織的優(yōu)劣。

1 客艙幾何模型

1.1 幾何模型

大型民用飛機(jī)客艙的全尺寸三維造型較為復(fù)雜、設(shè)備較多，不適用于數(shù)值模擬計(jì)算，因此對(duì)大型飛機(jī)客艙模型進(jìn)行了簡化，客艙在長方體空間內(nèi)填充布置艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，長方體空間的幾何尺寸坐標(biāo)為：xS：-2.96 m，xE：2.96 m；yS：-1.7 m，yE：2.4 m；zS：0 m，zE：-54.5 m。其中：S代表起點(diǎn)，E代表終點(diǎn)。后續(xù)定義與此相同?？团撊S等軸視圖如圖1所示。

圖1 客艙三維等軸視圖Fig.1 Cabin 3D equiaxial view

對(duì)客艙全尺寸建模進(jìn)行以下處理：

1）客艙主要包括12人頭等艙、54人商務(wù)艙和312人經(jīng)濟(jì)艙。為后續(xù)研究方便，將頭等艙和商務(wù)艙作為前客艙，將經(jīng)濟(jì)艙分為中客艙和后客艙。

2）取消艙內(nèi)與空氣流動(dòng)無關(guān)的部分，如密閉廚房、電子設(shè)備柜以及盥洗室等不規(guī)則部分。

3）簡化或移除艙內(nèi)不重要的設(shè)備和附件，使網(wǎng)格劃分變得容易，同時(shí)加快數(shù)值計(jì)算速度，節(jié)省計(jì)算資源。

4）考慮艙內(nèi)乘員的影響，布置了艙內(nèi)乘員模型，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，乘員模型以矩形塊代替，乘員幾何尺寸為0.4 m×1.1 m×0.55 m。依據(jù)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，頭等艙乘員前后排間距為1.575 m，商務(wù)艙乘員前后排間距為1.030 m，經(jīng)濟(jì)艙乘員前后排間距為0.810 m。最終建立計(jì)算區(qū)域的最大尺寸為：5.92 m×4.1 m×54.5 m。

1.2 客艙空氣分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客艙空氣分配系統(tǒng)包括供氣口、地板排氣通道、排氣活門和再循環(huán)系統(tǒng)等，如圖2所示。沿z方向兩側(cè)均勻布置20個(gè)矩形供氣口，第1個(gè)供氣幾何尺寸坐標(biāo)為：在 x=-1.6 m 平面上，yS：1.95 m，yE：2.15 m；zS：-1 m，zE：-1.3 m，其它供氣口以此為基準(zhǔn)布置。地板排氣通道與客艙內(nèi)壁之間的寬度為0.26 m，沿z方向左右對(duì)稱。排氣活門沿z方向前后各布置2個(gè)，圓心幾何尺寸坐標(biāo)分別為（0 m，-1.7 m，-18 m）和（0 m，-1.7 m，-36 m），半徑均為0.05 m。在客艙內(nèi)布置2個(gè)再循環(huán)系統(tǒng)，圓心幾何尺寸坐標(biāo)分別為（-2.96 m，-0.35 m，-27.25 m）和（2.96 m，-0.35 m，-27.25 m），半徑均為0.3 m。

圖2 客艙空氣分配系統(tǒng)Fig.2 Cabin airflow distribution system

2 飛機(jī)客艙空氣流動(dòng)的物理和數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

客艙空氣滿足理想氣態(tài)狀態(tài)方程，壓力為常數(shù)，低速流動(dòng)且不可壓縮，溫度和密度變化較小，符合粘性流體動(dòng)力學(xué)理論。將飛機(jī)客艙空氣流動(dòng)的物理模型概括為[19]：與氣體狀態(tài)方程的等壓流動(dòng)規(guī)律相一致；空氣為常溫、低速、不可壓縮的理想氣體；湍流流動(dòng)中同時(shí)有自然對(duì)流、輻射換熱和強(qiáng)迫對(duì)流的情況。

2.2 數(shù)學(xué)模型

客艙空氣流動(dòng)遵循不可壓粘性流體的控制方程[20]：

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

能量方程

組分方程

其中：Ui為xi方向的速度（m/s）；xi為3個(gè)垂直坐標(biāo)軸坐標(biāo)，i=1，2，3；ρ為空氣密度（kg/m3）；Uj為 xj方向的速度（m/s）；p為空氣壓力（Pa）；μ為空氣層流動(dòng)力粘度[kg/（m·s）]；β為空氣熱膨脹系數(shù)（1/K）；Tref為參考溫度（K）；T為空氣溫度（K）；gi為 i方向上的重力加速度（m/s2）；h為空氣定壓比焓（J/kg）；SH為熱源（W）；λ為空氣熱導(dǎo)率[W/（m·K）]；cp為空氣定壓比熱容[J/（kg·K）]；C 為組分濃度（kg/kg）；σC為傳質(zhì) Schmidt數(shù)，通常取 1.0；SC為組分濃度源（kg/s）。

采用零方程湍流模型，在室內(nèi)空氣自然對(duì)流和混合對(duì)流的直接數(shù)值模擬結(jié)果上提出，該模型針對(duì)室內(nèi)非等溫流動(dòng)的Rayleigh數(shù)范圍為[（2.6～3.0）×1010]，認(rèn)為渦粘系數(shù)正比于流體密度、當(dāng)?shù)厮俣群途啾诿孀罱嚯x，比例系數(shù)由直接數(shù)值模擬的結(jié)果擬合而得，即

其中：V為當(dāng)?shù)貢r(shí)均速度；l為當(dāng)?shù)鼐啾诿孀罱嚯x。

邊界條件設(shè)置：客艙內(nèi)壁假設(shè)為絕熱壁面；廚房和盥洗室等均為封閉塊體，外壁為絕熱壁面；乘員設(shè)為客艙內(nèi)熱源，熱載荷為75W；前客艙、中客艙和后客艙供氣溫度均為13.5℃，流速均為2m/s；地板排氣通道為自由出口；排氣活門為自由出口；再循環(huán)系統(tǒng)流量設(shè)為0.3 kg/s；操作壓力為 101 325 Pa；操作密度為1.225 kg/m3；環(huán)境溫度為20℃。采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，便于網(wǎng)格的自動(dòng)生成及自適應(yīng)處理，如圖3所示。

圖3 客艙區(qū)域網(wǎng)格生成Fig.3 Cabin zone grid generation

3 客艙氣流組織影響分析

取y=0.55 m截面空氣流速分布和溫度分布情況來評(píng)價(jià)客艙氣流組織，此截面為距離地板以上0.55 m的平面，正好處于乘員坐姿的腰部，可最大限度地表征乘員的舒適性。

3.1 基于供氣溫度的客艙氣流組織研究

在基于供氣溫度研究客艙氣流組織時(shí)，考慮大型民用飛機(jī)工程實(shí)際中均采用客艙區(qū)域溫度控制的方式，分別研究前客艙、中客艙和后客艙不同供氣溫度對(duì)客艙氣流組織的影響。

前客艙供氣溫度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖4所示?？梢钥闯觯S著前客艙供氣溫度的升高，前客艙溫度平均值升高，中客艙和后客艙溫度影響較?。磺翱团摴鉁囟葹?℃時(shí)，對(duì)客艙溫度影響較大，整個(gè)客艙平均溫度較低；前客艙供氣溫度為10℃、12℃、14℃時(shí)，對(duì)客艙平均溫度影響較小。

圖4 前客艙供氣溫度變化時(shí)的溫度分布Fig.4 Temperature distribution under various forward cabin air supply temperatures

中客艙供氣溫度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖5所示?？梢钥闯觯S著中客艙供氣溫度的升高，中客艙溫度平均值升高，前客艙和后客艙溫度影響較?。恢锌团摴鉁囟葹?4℃時(shí)，對(duì)客艙溫度影響較大，整個(gè)客艙平均溫度較高；中客艙供氣溫度為8℃、10℃、12℃時(shí)，對(duì)客艙平均溫度影響較小。

后客艙供氣溫度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖6所示?？梢钥闯觯S著后客艙供氣溫度的升高，后客艙溫度平均值升高，對(duì)前客艙和中客艙溫度分布影響較小。

綜上所述，大型飛機(jī)客艙采用區(qū)域溫度控制的方式，前客艙、中客艙和后客艙供氣溫度分別變化時(shí)，對(duì)其它客艙溫度分布影響較小，同時(shí)也證明客艙氣流組織設(shè)計(jì)良好。

3.2 基于地板排氣通道面積的客艙氣流組織研究

在基于地板排氣通道面積研究客艙氣流組織時(shí)，通過改變地板排氣通道寬度來計(jì)算客艙空氣流速分布和溫度分布情況。

圖5 中客艙供氣溫度變化時(shí)的溫度分布Fig.5 Temperature distribution under various middle cabin air supply temperatures

地板排氣通道寬度變化時(shí)，客艙空氣流速分布如圖7所示。可以看出，客艙排氣通道寬度變小時(shí)，客艙空氣流速分布變化影響不大；但客艙排氣通道寬度過?。?.05m）時(shí)，客艙空氣流速擾動(dòng)很大，甚至達(dá)到18m/s左右。這是因?yàn)榭团撆艢馔ǖ肋^小，乘員區(qū)空氣無法經(jīng)過排氣通道到達(dá)客艙底部，乘員區(qū)空氣壓力增大，流速增大。因而在設(shè)計(jì)大型民用飛機(jī)時(shí)，客艙地板排氣通道必須留有足夠的面積，否則會(huì)使客艙氣流組織效果變差甚至不滿足設(shè)計(jì)要求。

地板排氣通道寬度變化時(shí)，客艙空氣溫度分布如圖8所示?？煽闯觯团撆艢馔ǖ缹挾茸冃?duì)客艙溫度分布變化影響不大，但客艙排氣通道寬度過小（0.05 m）時(shí)，客艙溫度驟降。

3.3 基于再循環(huán)空氣流量的客艙氣流組織研究

在基于再循環(huán)空氣流量研究客艙氣流組織時(shí)，通過改變?cè)傺h(huán)空氣流量來計(jì)算客艙空氣流速分布和溫度分布情況?？团撛傺h(huán)空氣流量變化會(huì)導(dǎo)致客艙供氣口流速變化，通過計(jì)算得出，當(dāng)再循環(huán)空氣流量分別為客艙供氣量的30%、50%、70%時(shí)，客艙供氣口流速分別為 1.8 m/s、2 m/s、2.3 m/s，供氣溫度不變。

圖6 后客艙供氣溫度變化時(shí)的溫度分布Fig.6 Temperature distribution under various backward cabin air supply temperatures

在上述條件下，客艙空氣流速分布如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)客艙再循環(huán)空氣流量變化時(shí)，客艙空氣流速分布均勻，變化很小，同時(shí)說明客艙氣流組織設(shè)計(jì)良好。這是因?yàn)榭团撛傺h(huán)空氣流量變化并未導(dǎo)致客艙供氣口流速顯著增加。

客艙空氣溫度分布如圖10所示?？梢钥闯觯?dāng)客艙再循環(huán)空氣流量變化時(shí)，客艙空氣溫度分布均勻，變化很小，同時(shí)說明客艙氣流組織設(shè)計(jì)良好。

3.4 基于排氣活門安裝位置的客艙氣流組織研究

在基于客艙排氣活門安裝位置研究客艙氣流組織時(shí)，通過改變客艙前排氣活門的位置來計(jì)算客艙流速分布和空氣溫度分布情況。

客艙空氣流速分布如圖11所示。圖11為前排氣活門在x、y方向位置不變，在z方向分別為-9 m、-27 m、-45 m時(shí)客艙空氣流速分布的計(jì)算結(jié)果。從圖中可看出，客艙前排氣活門安裝位置的變化并不影響客艙空氣流速的變化。

圖7 地板排氣通道寬度變化時(shí)的流速分布Fig.7 Velocity distribution under various floor air outflow widths

圖8 地板排氣通道寬度變化時(shí)的溫度分布Fig.8 Temperaturedistributionundervariousfloorairoutflowwidths

圖9 再循環(huán)空氣量變化時(shí)的流速分布Fig.9 Velocity distribution under various recirculation airflows

圖10 再循環(huán)空氣量變化時(shí)的溫度分布Fig.10 Temperature distribution under various recirculation airflows

客艙空氣溫度分布如圖12所示。圖12為前排氣活門在x、y方向位置不變，在z方向分別為-9 m、-27 m、-45 m時(shí)客艙空氣溫度分布的計(jì)算結(jié)果，從圖中可看出，客艙前排氣活門安裝位置的變化對(duì)客艙空氣溫度的變化影響不大。

圖11 前排氣活門安裝位置變化時(shí)的流速分布Fig.11 Velocity distribution under various forward outflow valve positions

圖12 前排氣活門安裝位置變化時(shí)的溫度分布Fig.12 Temperature distribution under various forward outflow valve positions

4 客艙氣流組織空氣齡評(píng)價(jià)

客艙氣流組織的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有送風(fēng)有效性指標(biāo)、污染物排除有效性指標(biāo)、熱舒適指標(biāo)和能量有效利用指標(biāo)。送風(fēng)有效性指標(biāo)，一般由空氣齡來定義，其表面意義是指空氣在客艙內(nèi)被測(cè)點(diǎn)上的停留時(shí)間，實(shí)際意義表征的是艙內(nèi)舊空氣被新鮮空氣所替換的速度。通常采用示蹤氣體濃度自然衰減法來測(cè)定客艙空氣齡，該方法尤其適用于艙內(nèi)氣流分布情況以及客艙供、排氣口不確定時(shí)的情況。通過計(jì)算空氣齡分布，對(duì)大型民用飛機(jī)客艙氣流組織進(jìn)行評(píng)價(jià)[21]，即

其中：τp為空氣齡（s）；入口邊界條件：τp=0；出口邊界條件計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

圖13 空氣齡分布圖Fig.13 Air age distribution

由圖13可知，客艙空氣齡數(shù)值沿航向左側(cè)和右側(cè)對(duì)稱分布，從前客艙、中客艙到后客艙逐漸增大，說明頭等艙空氣最為新鮮，中客艙次之，經(jīng)濟(jì)艙最差。

5 結(jié)語

對(duì)大型飛機(jī)客艙氣流組織的研究表明，客艙供氣溫度變化時(shí)會(huì)對(duì)本區(qū)域的客艙溫度產(chǎn)生影響，而對(duì)其它客艙溫度分布影響較小；文中設(shè)定的地板排氣通道面積、再循環(huán)空氣流量和客艙排氣活門安裝位置對(duì)客艙的空氣溫度分布和空氣流速分布影響很??；地板排氣通道面積過小時(shí)，客艙內(nèi)空氣無法排至客艙地板下部區(qū)域，導(dǎo)致客艙空氣流速過大甚至不滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)大型飛機(jī)客艙氣流組織進(jìn)行了評(píng)價(jià)，計(jì)算了客艙空氣齡分布，結(jié)果表明頭等艙空氣最新鮮，商務(wù)艙次之，經(jīng)濟(jì)艙最差。