客艙供風初步設計與分析

陳 鵬，謝 平，祝 剛

(空軍第一航空學院，河南 信陽 464000)

飛機飛行過程中，客艙中氣流組織通過機上空氣分配系統進行控制。經過制冷、加溫系統以及溫度控制系統調節處理好的空氣由供氣口送入客艙、與艙內空氣進行熱質交換后，經排氣口排出。空氣不斷地進入與排出引起了艙內空氣的流動，形成了艙內的速度場與溫度場，從而直接影響著艙內人員的熱舒適感［1］。工程實踐中，為保證客艙內的舒適性，在送風量一定的情況下，通過改變供、排氣口的數量、位置以及截面尺寸等對送風系統進行調整，可以調節艙內流場，改善艙內舒適性。為評定送風系統的性能，通常要對客艙氣流組織進行實驗及數值模擬與計算，隨著計算機技術及數值計算技術的發展，在飛機設計前期利用數值模擬計算指導后續的設計與實驗已成為一種普遍的做法，相關文獻等的計算與分析也表明，客艙氣流組織數值模擬，可以較準確地反映艙內的空氣流場，能有效地指導艙內空氣分配系統的設計［2－3］。基于此，文章利用商業CFD軟件對某支線客機客艙氣流組織進行了數值模擬，總結分析了不同空氣分配方案對艙內流場的影響，為該型客機客艙氣流分配系統的設計提供了依據。

1 計算模型與方法

1.1 幾何模型與網格劃分

飛機客艙區域本身較大，艙內乘客多且每名乘客的的尺寸特征也不相同，這都導致客艙中的環境復雜，若直接對全尺寸客艙進行計算，網格數量多，計算量大，也必然導致計算周期加長。為減少計算量，對計算區域進行簡化處理。考慮到客艙內氣流流動具有周期性和對稱性，計算中選擇其中一段客艙進行計算，該段客艙包括過道一側的四排人與座椅，過道另一側及座椅前后采用對稱屬性處理，計算區域前后的艙段采用周期性條件處理。除計算區域外，對乘客的幾何模型也進行了簡化，并使所有乘客保持相同姿勢，簡化后所選取的計算區域及人椅模型如圖1所示。

圖1 客艙截圖

模型中，送風系統采用上送下回的供氣方式，送風口為格柵式，包括天花板上的頂送風口和側壁上部的側壁送風口，空氣由頂送風口和側壁送風口橫向吹入客艙，出風口設在側壁下方靠近腿部的地方。

客艙氣流流動為低雷諾數粘性湍流流動，其網格劃分質量對于計算結果有很大的影響，與非結構網格相比，結構化網格對粘性流體計算更具優勢，其網格生成速度快，質量好，收斂速度快，計算結果更精確，為此文中采用了結構網格。

客艙結構網格的生成，其關鍵是人體、座椅表面及艙體表面附近兩個壁面附件的網格加密問題，其解決方法是通過兩個O網格實現各表面的加密，其中一個O網格在艙體表面，另外一個O網格在所有人、椅表面生成。利用O網格加密后，人椅表面附近的網格如圖2所示。

圖2 人體表面加密網格圖

1.2 數學模型與邊界條件

客艙內空氣流動計算控制方程為N－S方程，湍流模型采用RNGk－ε二方程模型［4］。所用到的N－S方程及k－ε方程如下:

連續性方程:

動量方程:

能量方程:

k方程:

ε方程:

客艙氣流流動，可認為是粘性不可壓流體的低速、定常湍流問題，計算過程中空氣密度不變，選用系統默認常數。計算設定的邊界條件主要包括:(1)客艙對稱面、前后截斷面設置為對稱面。其中客艙對稱面處速度及各變量的變化梯度為0;前后兩個截斷面的流場分別與前后的流場形成周期變化關系。(2)艙體各壁面、座椅及人體表面均視為絕熱表面，采用壁面無滑移邊界條件，表面溫度均設置為303.15K(30℃)。(3)送風口采用速度入口，其入口溫度均為275.15K(2℃)。根據客艙內氣流速度的一般要求，選取2.5m/s至5m/s間的若干組送風速度，對單獨的天花板送風及天花板與側壁混合送風的送風兩種送風方式分別進行了計算與分析。(4)出風口按一般地面工作條件處理，設為自由流出口。

圖3 供風速度2.5m/s時溫度、速度分布圖

2 計算結果與分析

根據要求，首先對天花板送風方式進行了計算［5］。從計算結果來看，在一定送風速度下，前后各排座椅附近的流場相似，以流速2.5m/s為例，計算區內第二排座椅處的截面的溫度及速度分布分別如圖3所示。從圖中可以看出，客艙內流場有以下特點:(1)氣流進入客艙后，氣流沿主要沿側壁和過道方向擴散，流經座椅上方的氣流較少，并因此在座椅上部形成一個明顯的回流區。回流區內，溫度較高，且溫度向回流區中心呈遞增趨勢;(2)從速度分布來看，氣流在客艙內的速度變化較明顯，在客艙過道附近及腿部出口附近，氣流速度較大，特別是客艙過道附近明顯大于其它地方。(3)由于靠近過道一側的乘客頭部位于回流區內，因此其頭部附近換熱效果較差，溫度較高，與座椅附近其它部分的溫差較大，可達3℃以上。

客艙氣流的供氣速度一般介于2.5m/s至5 m/s之間，為便于比較，選取了多組供風速度進行計算。從計算情況來看，在相同送風量下，各工況雖然供風速度不同，但流場內的溫度及速度分布大體上是相似的，供風速度為5m/s時艙內的溫度及速度分布圖如圖4所示，與圖3相比，其主要區別在于:(1)由于氣流速度增加，換熱系數下降，流場內溫度總體上升，溫度場的變化較圖3中更均勻。(2)由于供風速度增加，流場內各處的氣流速度也明顯增加，超過一般要求的0.2m/s，部分地方超過0.33m/s，會使乘客產生穿堂風的感覺。

從圖3和圖4中的溫度分布圖來看，增加供風速度有利于提高溫度場的均勻度，但一來其效果并不十分明顯，二來整個流場氣流速度的增加會減小乘客的舒適度。為此又對天花板和側壁混合供風的工況進行了計算。

圖4 供風速度5m/s時溫度、速度分布圖

圖5 天花板帶側壁混合供風時溫度、速度分布圖

圖5是頂部送風速度為3.3m/s、側壁送風速度為2.5m/s時流場的溫度、速度分布圖。從圖中可以看出，與前面兩種工況相比，加入側壁送風后，側壁及回流區附近的氣流混合更為充分，溫度場和速度場更加均勻，且人體附近的風速也得到了有效的控制，相比較之下該工況下，乘客的舒適性更好。

3 結論

通過改變客艙送風系統的供風速度及供風方式，對某型支線客機客艙的氣流組織進行了分析，結果表明:(1)采用天花板送風方式，在相同空氣流量下，不同送風速度在艙內形成的溫度場和速度場分布形式相似，速度較小時人周圍的流速較低，形成的負荷較小，但不利于帶走局部負荷。速度較大時人周圍的流速較大，特別是過道的流速過大，會降低乘客的舒適性;(2)采用天花板結合側壁送風方式能夠有效地限制空氣的流速，并保證流場內的溫度場和速度場各均勻，能夠有效地改善客艙內的舒適性。相關的計算結果能夠為客艙送風系統的設計提供相關的依據。

［1］壽榮中，何慧珊.飛行器環境控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［2］Tengfei Zhang，Qingyan Chen.Novel air distribution systems for commercial aircraft cabins［J］.Building and Environment，2007，(4).

［3］Fred A，Mathew J.W and Dipankar C.Numerical Analysis of Airflow in Aircraft Cabins［R］.SAE －911411 .

［4］陶文銓.數值傳熱學 (第二版)［M］.西安:西安交通大學出版社，2006.

［5］王福軍.計算機流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.