某型飛機(jī)座艙熱舒適分析

張彥龍　陳維建

摘 要：利用Matlab對Gagge二節(jié)點人體溫度調(diào)節(jié)模型進(jìn)行編程，計算了飛機(jī)座艙環(huán)境下的人體溫度變化情況，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)有效溫度對客艙舒適性的影響作出了評價。

關(guān)鍵詞：二節(jié)點模型；標(biāo)準(zhǔn)有效溫度；座艙空氣流場；熱舒適

中圖分類號：V245.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.097

1 人體溫度調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型

二節(jié)點模型是Gagge等人于1970年首次提出的人體溫度調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型。這是1個一維模型，它將人體看作2層，即核心層和皮膚層。新陳代謝發(fā)生在核心層，而其所產(chǎn)生的熱量則會通過呼吸、皮膚和衣服散失掉，如圖1所示。皮膚層包括表皮和真皮，約占人體總質(zhì)量的10%. 該模型可用于計算人體平均皮膚溫度和皮膚濕潤度，還可用于標(biāo)準(zhǔn)溫度有效值的計算。

標(biāo)準(zhǔn)有效溫度是通過人的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度來確定人的熱狀態(tài)。可將其定義為，當(dāng)身著標(biāo)準(zhǔn)熱阻服裝的人處于環(huán)境濕度為50%、空氣靜止不動、空氣溫度等于平均輻射溫度的條件下，如果其平均皮膚溫度和皮膚濕潤度與在實際環(huán)境和服裝熱阻條件下的平均皮膚溫度和皮膚濕潤度相同，則該溫度就是實際環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度值。

本文采用Matlab對二節(jié)點模型編寫程序，將環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、空氣流速、相對濕度、代謝產(chǎn)熱率和服裝熱阻等作為輸入條件，則輸出的是皮膚溫度和核心溫度。人體皮膚溫度和核心溫度初始設(shè)為33 ℃和37 ℃，人體新陳代謝為人靜坐時的58.2 met，相對濕度取客艙環(huán)境的30%，大氣壓力取1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2 飛機(jī)座艙模型

飛機(jī)座艙區(qū)域較大，長度為15.9 m，19排座椅，共76人。座艙的空氣流場主要由供、排氣口的類型和位置確定。飛機(jī)座艙內(nèi)供氣口方案有3種，即天花板供氣、行李架側(cè)壁供氣和個人通風(fēng)噴口，而客艙排氣口一般位于地板上方兩側(cè)壁的上面。客艙供氣方案的總供氣量為2 790 kg/h，天花板供氣量70%，供氣速度3.3 m/s；側(cè)壁板供氣量30%，供氣速度2 m/s；個人通風(fēng)嘴外射初始速度為10～20 m/s，單個流量為20 kg/h。考慮到客艙空氣流場流動具有周期性，因此，選擇一段客艙進(jìn)行計算。計算區(qū)域包含4排座椅、5個玻璃窗口，2個斷面采用周期性邊界條件。利用ICEMCFD軟件完成對計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，采用塊對接結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約1 200萬，并對壁面附近進(jìn)行了加密，以滿足湍流模型的要求。

3 計算結(jié)果

在分析客艙舒適性時，空氣流場計算結(jié)果取x切面上的數(shù)據(jù)（x切面平行于客艙前后，且穿過整個人體模型），3種工況下的計算結(jié)果如下。

3.1 制冷工況

座艙在制冷時，送風(fēng)溫度為15 ℃，固壁面溫度為30 ℃。速度場計算結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)軟件采點計算得到，人體周圍座艙環(huán)境溫度為26 ℃，空氣流速為0.15 m/s。輸入相關(guān)程序后，得到人體皮膚的溫度變化，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度值為21.9 ℃。

3.2 個人通風(fēng)噴嘴打開工況

考慮到同一時間不是每個人都會打開通風(fēng)噴嘴，所以，假定有50%的乘客打開了個人通風(fēng)噴嘴，并且取打開到中間位時的噴嘴流量為10 kg/h，則供氣溫度與其他供氣口的溫度相同。

經(jīng)軟件采點計算得到，人體周圍座艙環(huán)境溫度為25 ℃，空氣流速為0.16 m/s。輸入相關(guān)程序后，得到人體的皮膚溫度變化如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度值為22.2 ℃。

3.3 加溫工況

座艙在加溫時，送風(fēng)溫度為30 ℃，固壁面溫度為12 ℃。其速度場分布與個人通風(fēng)噴嘴打開時的情況相同。人體周圍座艙環(huán)境溫度為18 ℃，空氣流速為0.16 m/s。輸入相關(guān)程序后，得到人體皮膚溫度變化如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度為16.3 ℃。

4 客艙舒適性評價

對照ASHRAE舒適標(biāo)準(zhǔn)54-74中關(guān)于舒適區(qū)域的劃分，制冷工況和個人通風(fēng)噴嘴打開時的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度值均在舒適區(qū)域附近（最舒適值為25 ℃）。當(dāng)個人通風(fēng)噴嘴打開時，客艙舒適性略優(yōu)。在座艙加溫的工況下，標(biāo)準(zhǔn)有效溫度值為16.3 ℃，舒適性較差。另外，整個標(biāo)準(zhǔn)有效溫度值計算結(jié)果偏低，這是因為客艙環(huán)境中濕度相對較低導(dǎo)致的。

參考文獻(xiàn)

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

〔編輯：白潔〕