飛機客艙環境實驗平臺設計與搭建

楊建忠， 左 權， 陳希遠， 楊士斌

(中國民航大學 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室， 天津 300300)

飛機客艙環境實驗平臺設計與搭建

楊建忠， 左 權， 陳希遠， 楊士斌

(中國民航大學 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室， 天津 300300)

為了驗證計算流體動力學仿真結果，應用先進的測量技術，參考現役主流單通道民航客機Boeing 737-800的典型經濟艙布局，設計、搭建了客艙環境實驗平臺，該實驗平臺擁有模擬飛機客艙空氣分配的管路系統，模擬飛機環境控制系統功能的空氣調節系統，以及一個5排座位的等比例模擬艙。對實驗平臺的測試結果表明:該客艙環境實驗平臺可以模擬真實飛機客艙環境。

實驗平臺； 客艙環境； 空氣分配； 模擬艙

1 國內外研究現狀

CFD(計算流體動力學)仿真和實驗研究飛機客艙環境,既是提高飛機客艙環境質量的重要技術手段,也是探索相關適航審定技術的重要途徑。研究飛機客艙環境可信度最高的方法是利用等比例客艙模型進行實驗研究。目前已經有研究人員搭建過等比例客艙模型。Wang等[7]基于Boeing 767-300搭建了一個5排座包含35個人體模型的全尺寸模擬艙來評估客艙的通風效果和氣流分配特點。Garner 等[8]基于一架Boeing 747飛機的一段機身搭建了一個實驗平臺,用三維超聲波風速儀測得的實驗數據驗證了CFD數值模擬結果。不過,Garner 等采用的三維超聲波風速儀的探頭尺寸比較大,所以測量出的速度是一個比較大的體積內的平均值,這樣得出的實驗數據不適合用來與CFD數值模擬結果進行點對點的對比分析。而且為了測量方便,他們拆除了客艙內的座椅,這顯然與真實的客艙環境存在較大差異。Kühn等[9]參照Airbus A380的上層客艙設計了一個全比例模擬艙,尺寸稍小于Airbus A380飛機的真實尺寸。模擬艙內安裝了5排共40個座椅,并且每個座椅上放置一個加熱假人。他們利用搭建的實驗平臺研究了流體物理效應的相互作用對客艙內流場的影響。Müller等[10]采用Airbus A330/A340的一段機身設計了一個實驗平臺,為驗證CFD仿真結果提供實驗數據。

與簡化客艙模型和縮比客艙模型相比,這些研究人員搭建的等比例客艙模型有很大的技術進步,但是在應用的過程中也出現了一些缺陷。比如由于客艙模型的壁面不透明,一些客艙模型只能采用單點測量技術,無法采用PIV(粒子圖像測速)技術等先進的全場測量技術。本文參考現役主流民航客機ECS(環境控制系統)的功能架構設計、搭建了一個客艙環境實驗平臺。基于該客艙環境實驗平臺研究飛機客艙環境,可以驗證CFD仿真結果,亦可應用PIV技術等先進的全場測量技術。

2 實驗平臺的拓撲結構

Boeing 737-800客機是現役主流的單通道民航客機,其空調系統為機組、乘客和設備提供了一個可調節的內部環境,主要有分配、制冷、加溫、溫度控制、設備冷卻、增壓等6個子系統。基于Boeing 737-800客機ECS的功能架構,本文設計了如圖1所示的客艙環境實驗平臺的拓撲結構。整個實驗平臺分為送風與排風系統、制冷系統、加熱系統、模擬艙和控制操作系統5個功能模塊。

圖1 客艙環境實驗平臺的拓撲結構

在實驗平臺中,送風與排風系統控制送往模擬艙的空氣流量,制冷系統和加熱系統負責將抽取的空氣調節到所需的實驗溫度后送往模擬艙,模擬艙是開展各種研究的模擬客艙空間,控制操作系統即是采集實驗數據和發送控制指令的上位控制中心,也是實驗操作、監控平臺。

3 實驗平臺的設計

3.1 送風與排風系統

送風與排風系統控制送往模擬艙的空氣流量,通過調節供氣溫度來控制模擬艙的溫度。中國民用航空規章CCAR 25.831(a)款規定“通常情況下通風系統至少應能向每一乘員提供250 g/min的新鮮空氣”[11],這與美國聯邦航空規章FAR中的要求[12]一致。為了提高運營經濟性,現役民航客機的ECS均采用50%的新鮮空氣混合50%的再循環空氣后送往客艙。模擬艙取消再循環系統,向模擬艙供應100%的新鮮空氣,并且不考慮真實飛機客艙的增壓需求,即艙內壓力為常壓,但保證必要的密封性。模擬艙共30個座位,按照規章要求,模擬艙的送風與排風系統要向模擬艙供應的空氣至少應為735 m3/h。美國國家標準《Air Quality within Commercial Aircraft》建議[13]至少向每位乘員供應9.4 L/s的空氣。在此要求下,送風與排風系統要向模擬艙供應至少1 015.2 m3/h的空氣。

模擬艙的氣流組織采用傳統構型見圖2,由側壁條縫、頂棚條縫和個性送風口送風,由側壁進風底部回風格柵排風。模擬艙的分配管道示意圖見圖3。送風管道在到達模擬艙時分為6路,分別向左右兩組頂棚送風條縫、左右兩組個性送風口和左右兩組側壁送風條縫送風,6路空氣分配管道的打開、關閉以及開度由6個電動球閥控制。艙內空氣從左右兩組回風格柵離開模擬艙后匯合成一路,然后排向艙外。

圖2 模擬艙橫截面示意圖

圖3 模擬艙分配管道示意圖

對于低速不可壓流體,其流動遵循伯努利方程:

(1)

式中:p*為滯止壓力(總壓)；p為靜壓；ρv2/2為動壓，v為流體流速。

根據管路系統水力計算[14]的原理,在串聯管路中各管段流量相等；對于并聯管路,干管流量Q干等于各支管流量Q支之和：

(2)

據此可確定各段管路的規格。

3.2 制冷系統

根據熱力學第一定律可知,能量在轉移和轉換的過程中總量保持不變[15],即

(3)

式中:δQ為熱力系在dτ時間內從外界吸收的微小熱量；e1δm1為dτ時間內從外界流入熱力系的物質具有的能量,m1為進入系統物質質量；δWtot為熱力系在dτ時間內對外界做出的微小總功；e2δm2為dτ時間內從熱力系流出到外界的物質具有的能量，m2為排出物質數量；E+dE為經過dτ時間后熱力系的總能量；E為初始時刻熱力系的總能量。

假定模擬艙壁絕熱,由此可得模擬艙的熱平衡方程為

(4)

式中:ρ為空氣密度；V為模擬艙容積；Cp為空氣的定壓比熱；tc、ts、t0分別為模擬艙內空氣溫度、模擬艙供氣溫度、室外大氣溫度；Qs、Qe分別為模擬艙的供氣流量、排氣流量。

我國航標要求民航客機的客艙平均溫度應該能夠選擇,并自動穩定在18～30 ℃范圍內[16]。對現代民航客機而言,為了提高乘坐舒適性和運營經濟性,通常要求在極熱條件(40 ℃)下,客艙內的溫度可以在30 min內冷卻到27 ℃,然后乘員才可以登機。制冷系統模擬真實飛機客艙的制冷工況,采用模塊式風冷冷水機組獲得冷卻水,然后利用水-空氣熱交換器對所抽取的空氣進行降溫。

當傳熱系數固定不變時,管殼式熱交換器的無相變傳熱方程[17]為

Qh=KAΔt

(5)

式中:Qh為熱載荷；K為總傳熱系數(以換熱管外表面積為基準計算)；A為傳熱面積(換熱管有效外表面積)；Δt為溫差(整個傳熱面積上的有效平均溫差)。

3.3 加熱系統

按照我國航標對民航客機客艙的平均溫度的要求,為了提高乘坐舒適性和運營經濟性,通常要求現代民航客機在極冷條件(-40 ℃)下,客艙內的溫度可以在30 min內加熱到21 ℃,然后乘員才可以登機。加熱系統模擬真實飛機客艙的制熱工況,采用電加熱器對送往模擬艙的空氣進行加熱。

假定電熱絲(電加熱器的電阻)質量為M,比熱為C,傳熱系數為H,傳熱面積為A,t0、t1為加熱前后空氣的溫度,Qi為電熱絲單位時間內的產熱量,由熱力學知識可得

(6)

3.4 模擬艙

該實驗平臺的一大作用就是利用所得實驗數據與CFD仿真計算結果相互驗證。對于CFD仿真計算,文獻[18]的研究表明5排座位的客艙模型能夠得到比較合理的仿真結果。

為了利用PIV系統開展實驗,模擬艙右側壁中間3排座位處舷窗開大。模擬艙的座椅設置為窄體客機經濟艙布局,每排6個座位(3+3布局),共5排。模擬艙的內壁、座椅等表面粗糙度模擬真實飛機客艙的內壁、內飾表面特征。

3.5 控制操作系統

控制操作系統包括實驗操作臺和電器柜兩部分,將高壓設備與低壓設備分開,以減少設備之間的信號干擾。實驗操作臺負責向各個設備下達控制指令,采集實驗數據,并監控實驗平臺的運行狀況。電器柜采用模塊化設計,離心風機的變頻器、模塊式風冷冷水機組控制器和電加熱控制器等均設置在電器柜內。

離心風機、電加熱器、模塊式風冷冷水機組和送風電動球閥等由上位控制程序控制。實驗平臺的上位控制程序、人機界面(見圖4)等均通過C#軟件開發,溫度、流量等傳感器的數據采集和預處理,以及實驗平臺運行狀況的監控,也由C#軟件編程實現。

圖4 實驗操作臺人機界面

4 實驗平臺的搭建

4.1 送風與排風系統

模擬艙內的壓力為常壓,為了保證模擬艙的供氣量,并擁有一定冗余,送風與排風系統設置2臺380 V/5.5 kW的松發9-19-4.5A型離心風機,該型離心風機的風量為2 281～2 504 m3/h,一臺負責將冷卻/加熱處理過的空氣送往模擬艙,另一臺輔助模擬艙排風。2臺離心風機均由變頻器控制,以實現模擬艙供氣量的可控且連續可調。變頻器采用ABB ACS510-01型低壓交流傳動變頻器,2臺變頻器置于一個電器柜內。

送風風機上游管道采用600 mm×600 mm的方形截面管道,管道內安裝水-空氣熱交換器和電加熱器,圍護結構由型材和面板組成。上游管道入口處設置過濾裝置,濾除空氣中的異物。在靠近送風風機處開孔,用于向模擬艙注入PIV實驗的示蹤粒子等用途。

送風風機下游的送風管道和排風管道采用φ325 mm的45#鋼管道焊接而成(渦街流量計上下游直管段采用φ273 mm的45#鋼管道),在噴涂防銹漆之后敷設保溫層。送風管道到達模擬艙時分為6路φ159 mm的管道,6個電動球閥下游的空氣分配管道采用φ159 mm的201不銹鋼管道,不銹鋼空氣分配管道與頂棚送風條縫、側壁送風條縫和個性送風口之間用φ12 mm的聚氨基甲酸酯(PU)管連接,不銹鋼送風分配管道上焊接氣管接頭。模擬艙分配管道布設于內外壁之間,不做保溫處理。

排風毛細管也敷設在模擬艙的內外壁之間,采用φ38 mm的PVC鋼絲軟管,左右兩側的排風毛細管分別匯合到兩路φ159 mm的201不銹鋼管道,之后兩路不銹鋼管道匯合到一路排風管道。由于排風管道的出口在室外,為防止異物進入,在排風管道出口焊接防護網。整個送風與排風系統的管道布置貫徹“短、直”原則,即管道盡可能短且盡可能減少轉彎。

4.2 制冷系統

制冷系統采用南京平歐空調設備有限公司的BAM020B-100型模塊式風冷冷水機組(見圖5),充注7.5×2 kg二氟一氯甲烷(R22)制冷劑,額定水流量為11.3 m3/h,制冷量為66 kW。

圖5 模塊式風冷冷水機組

為了提高制冷效果,設置兩組水-空氣熱交換器,對所抽取的空氣進行冷卻。兩組熱交換器的冷路均設置有浮子流量計,以便觀察兩路冷卻水的狀況。模塊式風冷-冷水機組安裝在實驗室內,為了降低冷凝風扇對室內環境的干擾,采用2臺風量為4 850 m3/h的380 V外轉子軸流風機,通過兩路φ350 mm的鍍鋅鐵皮管道將冷凝風扇排出的風引向實驗室外面。為防異物進入,在冷凝風扇排風管道出口設置防護網。模塊式風冷冷水機組的控制器由廠家提供。

4.3 加熱系統

加熱系統采用380 V/Y/20 kW(按1∶1∶1分成3組)電加熱器對送往模擬艙的空氣進行加熱處理。

4.4 模擬艙

基于現役主流單通道民航客機Boeing 737-800的典型經濟艙布局,以1∶1的比例搭建一個具有5排座位的模擬艙。模擬艙的艙壁和地板均為中空結構,而且艙壁外層可拆卸。模擬艙內外壁采用Q235碳鋼模塊化組裝,舷窗及預留的PIV拍攝窗口均為透明亞克力板材,前端為透明玻璃。座椅的尺寸和排距參考真實飛機客艙的座椅布置。在艙內后端設置電源面板,供應220 V/10 A和220 V/16 A的電源,以備艙內設備之需。

必要的線纜敷設在內外壁之間或者底座內。模擬艙的內外壁表面以及材料的切口截面全部均勻噴涂啞光漆,以盡可能得減少光線的鏡面反射,這一點在開展PIV實驗時尤其重要。

4.5 實驗操作系統

實驗操作臺(見圖 6)內集成了一臺研華工控機、PCI 8326B和PCI 8327數據采集卡等。流量傳感器采用MIK-LUGY-250型渦街流量傳感器(公稱直徑為250 mm),測量范圍為850～8 500 m3/h,精度等級為1.5級。渦街流量儀表對安裝位置的上下游直管段有特定要求(內徑、長度等),如果不滿足,會影響測量介質在管道中的流場,進而影響儀表的測量精度。溫度傳感器為博控TT1001型Pt100溫度傳感器,測溫范圍-50 ～150 ℃,精度等級為0.1級。另外,為了保證實驗設備的電力供應,在模擬艙外靠近模擬艙前后端的位置,從主配電箱引出2個輔助配電箱,供應220V/10A和220V/16A電源。

圖6 實驗操作臺

4.6 實驗平臺的測試

經打壓測試,模擬艙和管道無明顯漏風,模擬艙風量符合美國國家標準《Air Quality within Commercial Aircraft》的建議風量,并且還有冗余。分別對實驗平臺的加熱和制冷工況進行了測試,測試結果見圖7。由圖 7可知:在加熱工況下,送風溫度θ在大約18 min內從22 ℃被加熱到33 ℃；在制冷工況下,大約22 min內將送風溫度從28 ℃冷卻到18 ℃。測試結果表明:該實驗平臺滿足對飛機客艙環境進行仿真的要求。

圖7 實驗平臺測試結果

5 結語

基于現役主流單通道民航客機Boeing 737-800的典型經濟艙布局,本文設計、搭建了一個客艙環境實驗平臺,該實驗平臺擁有模擬飛機客艙空氣分配的管路系統,一套模擬飛機ECS功能的空氣調節系統,以及一個5排座位的等比例模擬艙。經測試,整個實驗平臺可以模擬真實飛機客艙環境。利用該實驗平臺,可以研究客艙內流場的溫度分布、速度分布、特定氣體的濃度分布,也可以研究污染物的擴散規律,給CFD仿真計算提供邊界條件等驗證數據,為改善客艙空氣品質提供技術參考,同時亦可研究緊急情況下的應急措施,探索相關的民機適航審定技術。

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Design and construction of experimental platformfor airplane cabin environment

Yang Jianzhong, Zuo Quan, Chen Xiyuan, Yang Shibin

(Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

To verify the simulation results of CFD (computational fluid dynamics), and referring to the typical economy class layout of current mainstream single-aisle airliner Boeing 737-800, the advanced measurement technology is used to design and construct an experimental platform for the airplane cabin environment. The platform has the the functions which can simulate the pipeline system of air distribution in an airplane cabin, an air conditioning system with function of the aircraft ECS and a full-scale cabin with 5 rows of seats. The test results show that the experimental platform for airplane cabin environment can simulate the real airplane cabin environment.

experimental platform; cabin environment; air distribution; simulation cabin

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.019

2016-07-26

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2012CB720104);2015民航局科技創新引導資金項目(MHRD20150220)

楊建忠(1974—), 男, 寧夏固原,碩士，副教授, 研究方向為航空器適航審定.

E-mail：cca_2014@126.com

V216.5

A

1002-4956(2017)1-0079-05