民用飛機座艙空氣分配優化設計與試驗驗證

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民用飛機座艙空氣分配優化設計與試驗驗證

Optimization Design and Experimental Validation for Cabin Air Distribution of Civil Aircraft

汪光文吳成云楊智李革萍辛旭東 / Wang GuangwenWu ChengyunYang ZhiLi GepingXin Xudong

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

0引言

隨著民航運輸業的快速發展，飛機座艙環境的舒適性受到廣泛關注，與座艙舒適性密切相關的空調系統設計至關重要。國內外對飛機座艙流場環境仿真與試驗研究[1-3]、座艙空氣品質仿真與試驗[4-5]、空調系統動態性能與試驗[6-8]研究較多，但對于空氣分配管流仿真和試驗方面研究較少。

民用飛機空氣分配系統是空調系統的一部分，包括駕駛艙空氣分配管路、客艙空氣分配管路和再循環空氣管路。它的功能在于將混合腔、配平系統及座艙再循環空氣混合成溫度、壓力適宜的空氣，按設計需求將空氣分配到駕駛艙、客艙、廚房及盥洗室，對座艙局部熱環境有直接影響。

本文根據某客機座艙空氣分配系統構型(原始構型)，基于Flowmaster仿真平臺建立該構型的仿真模型，通過仿真計算對駕駛艙與客艙空氣流量進行評估，并通過試驗方法驗證仿真計算結果，從而表明優化設計構型對適航條款和設計需求的符合性。

1優化設計需求

1.1　通風與溫度要求

適航條款25.831(a)規定[9]：在正常操作情況和任何系統發生可能的失效而對通風產生有害影響條件下，通風系統都必須要能提供足夠量的未被污染的空氣，使得機組成員能夠完成其職責而不致過度不適或疲勞，并且向旅客提供合理的舒適性。通常情況下通風系統至少應能向每一乘員提供0.55 lb/min的新鮮空氣。

因此，在正常巡航狀態下，空調系統提供給駕駛艙乘員的新鮮空氣量應不小于10ft3/min，當空調系統僅單側制冷組件工作時的最低新鮮空氣量應不低于0.4lb/min。

為保證民用飛機座艙環境舒適性和航空公司運營的經濟性，當前市場主流飛機的頂層設計規范和航空標準對座艙溫度設計提出了嚴格的要求[10]，其中要求最高的一條為地面快速冷卻能力，即地面熱天狀態下(氣象溫度40℃,艙內溫度46℃)，座艙內無乘客，空調系統運行30min后，能將座艙溫度降低至27℃并保持穩定。

1.2　原始構型性能

原始構型能滿足座艙的通風要求，但駕駛艙溫度不能滿足地面快速冷卻的“運行30min后，能將座艙溫度降低至27℃并保持溫度”的要求(如圖1所示)。這使得熱天條件下，該客機的座艙環境溫度舒適性較差。因此，有必要優化改進空氣分配設計。

圖1　原始構型冷卻試驗與仿真

2空氣分配構型和優化方案

駕駛艙溫度目標要求駕駛艙流量盡可能大，以提高駕駛艙內的冷卻能力(目標一)；而客艙新鮮空氣量目標又要求客艙流量盡可能大，保證客艙內人均新鮮空氣量滿足適航條款(目標二)。通過新鮮空氣量分析和座艙熱載荷分析可知，合理增大駕駛艙主管和客艙主管供氣流量分配比例(地面正常狀態下駕駛艙主管總占比14%~15%)可以實現滿足座艙新鮮空氣流量和座艙溫度的雙重要求。

根據典型支線客機的空調系統原理、空氣分配系統的低壓管路構型和空氣流動情況，影響供氣流量分配比例的主要因素有：(1)混合腔構型；(2)低壓管路限流環尺寸；(3)駕駛艙主供氣口格柵。綜合工程應用特點，更改低壓管路限流環尺寸可操作性強，工作量相對小，易于實施。如圖2所示。

具體優化設計過程描述如下：

(1)利用前期地面試驗和單、雙空調組件試飛結果校準仿真計算模型。

(2)利用驗證的仿真計算方法調整限流環尺寸，得到滿足目標一和目標二要求的駕駛艙流量分配方案，確定目標流量分配下的限流環尺寸。

(3)通過機上地面試驗和飛行試驗測試限流環構型更改后的實際座艙流量。

圖2　空調系統原理及駕駛艙管路限流環布置

3仿真計算

采用Flowmaster軟件建立空氣分配系統仿真模型的關鍵在于設定模型的輸入參數，對于圓管、彎管、縮放管路、分流管路、壓力和流量源、限流環等部件，Flowmaster軟件已有多種數學模型供選擇，且具備一定的工程數據支持。

但Flowmaster軟件中沒有混合腔和駕駛艙主供氣格柵模型，因此需要通過三維CFD仿真獲取該部件的流量壓力曲線等重要特性，并根據CFD計算特性建立了一維Flowmaster混合腔和格柵模型，最后分別建立駕駛艙管路、客艙管路、混合腔、再循環管路的Flowmaster模型并進行聯合仿真計算，如圖3~圖5所示。

圖3　駕駛艙管路的Flowmaster模型

圖4　客艙管路的Flowmaster模型

圖5　混合腔和再循環管路的Flowmaster模型

如圖6所示，本文利用仿真計算，通過優化調節得到流量分配的優化構型，即主管限流環內徑由84mm更改為137.6mm，廚房管路限流環內徑由34mm更改為30mm，盥洗室管路限流環內徑由19mm更改為17mm。該方案既能滿足任何工況的駕駛艙、客艙新鮮空氣流量要求，又能滿足地面冷卻試驗時駕駛艙溫度的設計目標。

4試驗驗證

為了驗證空氣分配系統仿真計算的準確性，對仿真算例進行了試驗驗證，空氣分配系統流量測試裝置由空調組件進口管路流量測量裝置、駕駛艙主管流量測試裝置及再循環管路流量測試裝置組成。

(a)原始構型

(b)優化構型圖6　原始構型與優化構型

對比仿真計算與試驗結果可知：(1)仿真結果與試驗結果吻合較好；(2)空調系統正常工作狀態下，優化構型所得駕駛艙主管流量基本均達到優化目標，如表1和表2所示。

表1　仿真計算與地面試驗結果比對

表2　仿真計算與飛行試驗結果比對

同時，地面冷卻試驗表明優化構型滿足座艙新鮮空氣流量要求和駕駛艙溫度要求(其中Cockpit%表示駕駛艙主管流量與總流量之比)。

5結論

本文利用仿真計算方法對客機空氣分配系統進行了優化設計，并采用地面試驗和飛行試驗對仿真算例進行驗證，得出如下結論：

(1)本文仿真計算結果與試驗結果吻合較好，說明所應用的座艙熱載荷模型、空氣分配系統模型能較準確地預測空調系統性能。

(2)提高駕駛艙的冷卻能力的優化使得駕駛艙新鮮空氣供氣量略有增加，客艙新鮮空氣供氣量略有減少，但是仍然滿足CCAR 25.831(a)的規定。

(3)本文經過驗證的仿真計算模型，可用于民用飛機后續機型的空氣分配系統方案權衡、性能預測等。

參考文獻：

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摘要：

以仿真分析和試驗試飛為手段，對某型客機空氣分配進行優化設計。首先建立飛機座艙熱載荷動態仿真模型，分析飛機駕駛艙及客艙新的供氣需求；其次根據飛機空氣分配管路實際構型建立Flowmaster仿真模型，并基于模型調節管路構型，以調整各艙室空氣分配流量，實現駕駛艙和客艙的流量需求；最后將優化設計應用于民用飛機空氣分配系統中，仿真分析和試驗試飛驗證結果吻合較好，說明了仿真技術手段的合理性。

關鍵詞：民用飛機；空氣分配；仿真計算；試驗驗證；Flowmaster

[Abstract]In this paper, simulation analysis and experimental validation are applied for indicating air distribution configuration complied with the requirements. Firstly, the cabin/cockpit heat load dynamic model is set up and air supply requirement is analyzed. Secondly, to fulfill the target of air supply, Flowmaster model for one civil aircraft air distribution system is built and quantity of supplied air is adjusted based on the model. Lastly, ground/flight test is performed to validate simulation result similar with test result, and the air supplied to the cabin and cockpit meets the requirement of air worthiness standard and high level requirement. This attempt is the trial of civil aircraft air conditioning system distribution development and research, and the methods adopted are effectively enhancing the civil aircraft independent research capability.

[Key words]civil aircraft; air distribution; simulation; experimental validation; flowmaster

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)“大型客機座艙內空氣環境控制的關鍵科學問題研究”，項目編號：2012CB720100。

中圖分類號：V245.3+44

文獻標識碼：A