民機客艙中太陽輻射對熱舒適性的影響

2019-11-21 00:56:46龐麗萍李恒王天博范俊鄒凌宇

北京航空航天大學學報 2019年10期

龐麗萍，李恒，王天博，范俊，鄒凌宇

（1.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100083； 2.沈陽航空航天大學航空發動機學院，沈陽110136；3.沈陽航空航天大學經濟與管理學院，沈陽110136； 4.陸軍航空兵研究所，北京101121）

民機座艙的熱舒適性是目前國內外研究的重點內容，也是民機性能在經濟市場中重要的競爭力之一。PMV指數是以人體熱平衡的基本方程及心理學主觀熱感覺的等級為出發點，考慮人體熱舒適感諸多有關因素的全面評價指標［1-4］，是目前國際上公認的衡量環境熱舒適性的重要參數。

關于太陽輻射對飛機影響的研究，國外最早開始于20世紀中期。如建立于1947年的美國麥金利氣候實驗室，采用發熱燈代替太陽光源，并且已經成功地開展了多組飛機實驗［5］；俄羅斯Obninsk企業為第五代戰斗機T-50生產復合材料部件，開發了一種獨特的涂層，以保護飛機的玻璃座艙免受太陽輻射［6-7］；Beck等［5］和Battistoni［8］通過具體的物理理論計算，分析了太陽射線中的能量對飛機飛行過程的影響。

國內對于太陽輻射和熱舒適性的研究目前還不完善。由于中國無容納飛機開展氣候環境實驗的實驗室，相關研究也進行的較少，僅僅在理論和飛機窗戶材料方面有所研究［9］。楊建忠、王振斌等［10］對飛機座艙的溫度擾動進行了實驗研究分析；何良、吳長水等［11］根據雷諾平均的方法，采用射線追蹤方法，計算了太陽輻射對汽車乘員的溫度場，并且分析了隔熱玻璃對艙室內乘員溫度場的影響；郝貴和、劉永輝等［12］基于ASHRAE模型分析了客艙表面太陽輻射量。

目前，對太陽輻射和熱舒適度的研究很多都是在理想的理論環境下進行的［13-14］，很少有學者做過實際測量［15-16］，也沒有提出合理有效的改進措施。本文以實際航班測試與CFD仿真為基礎，采用實際的動態溫度測量數據作為CFD動態仿真的邊界條件，詳細建立了與實際民機客艙相近的物理模型，再現民機客艙內部在太陽輻射下溫度和熱舒適度的分布情況，為提高民機客艙熱舒適性提供詳細準確的參考依據。

1 太陽輻射熱效應測試與分析

1.1 實際客艙溫度數據實時采集實驗

1）測試方法

從飛機地面待機開始，到整個飛行包線結束的過程中，每隔5 min測量一次客艙內各壁面的溫度和艙內壓力。客艙內部區域劃分如圖1所示。

將客艙橫向劃分為向陽和背陰兩側面，兩側面實驗測點分布完全對稱，所以取客艙向陽面為例，說明實驗測點分布情況。在遠離窗戶的側壁上分別取上、中、下3點，求平均值得到側壁的溫度，如圖2所示。

窗戶在采取遮光板時，選取4個溫度測點，分布在窗上，4組測量數據取平均值得到窗戶溫度值，如圖3所示。地板溫度測點共3個，沿橫向分布在乘客腳底，3組測量數據取平均值得到地板溫度值，如圖4所示。

2）測試設備

測試設備信息如表1所示。

3）航線信息

為了更好地對比太陽輻射效應對飛機客艙熱舒適性的影響，選取春季、夏季和冬季3個季節，航線在南北方向且飛行時間較長的6組航班進行實驗測試，目的是獲取更多的測試數據及使測試結果更具對比性。具體的航班信息如表2所示。

圖1 客艙內部區域劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of cabin interior zoning

圖2 側壁溫度測點分布Fig.2 Temperature measurement point distribution of side wall

圖3 窗戶溫度測點分布Fig.3 Temperature measurement point distribution of window

測量儀器測量范圍精度溫濕度壓力傳感器30～110 kPa 0.15 kPa Testo熱線風速儀 0～10 m/s 0.1 m/s Testo紅外線溫度計-30～400℃ 2%

編號季節往返地航班號機型1 春季北京—廈門HU7191 B787 2 春季廈門—北京 HU7192 B787 3 夏季北京—昆明 HU7211 B787 4 夏季昆明—北京 HU7212 B787 5 冬季北京—麗江 CA1469 A319 6 冬季麗江—北京CA1470 A319

1.2 測試結果分析

根據適航標準和通風衛生標準的規定，乘客區域氣流速度不超過0.36 m/s，通過整理6組航班的測量數據發現，實驗測量人體周圍的風速約0.1～0.2 m/s，對熱舒適度影響很小；在飛機起飛和降落的過程中，向陽面和背陰面隨著時間反復變化，數據相差較大。因此，本文主要分析飛機在平飛階段溫度測量數據，結果如圖5所示。

根據測量數據結果曲線，可得如下結論：

1）由圖5（a）可以得出，春季、夏季和冬季飛機客艙內地板的溫度相差很小，同一航班上向陽和背陰兩側地板平均溫度最大溫差不超過2℃。主要原因是：地板不受太陽光直接輻射，熱量經過窗戶進入客艙后傳遞到各個區域，最終太陽輻射的熱量只有很少部分傳遞到地板上。

圖5 不同季節客艙內部溫度測試結果曲線Fig.5 Temperature measurement curves of cabin interior in different seasons

2）由圖5（b）可以得出，向陽面和背陰面側壁的溫度差值受季節性影響程度比地板較大，夏季最高溫度25℃，春季最低溫度21℃，兩季節客艙側壁溫差可達4℃；但是同一季節里向陽面和背陰面的側壁溫差在2℃，同樣說明側壁溫度受太陽輻射影響較小。

3）由圖5（c）可以得出，客艙窗戶溫度受太陽輻射影響很大，3個季節里向陽面和背陰面的窗戶平均溫差高達20℃。冬季窗戶最高溫度36℃，最低溫度16℃，局部最大溫差達到20℃。主要原因是：向陽面窗戶直接受到太陽輻射，導致溫度升高。

實驗測試結果表明，從飛機客艙內部窗戶到側壁再到地板的垂直方向上，溫度場分布極不均勻，從而造成乘客熱舒適性較差。特別是靠近向陽側窗戶周圍，即使采取遮光措施，但是較高的輻射溫度給乘客帶來極不舒適的感覺。

2 民機客艙熱舒適性仿真

2.1 PMV評價指標

在ISO 7730—2005［17］熱舒適性標準中，PMV指標的推薦值為-0.5～+0.5，即如果在環境中的90%的人覺得熱舒適性情況良好，則該環境可以稱為熱舒適環境。本文的CFD模塊中，PMV公式如下：

式中：M 為人體代謝量，W/m2；W 為人體對外做功，W/m2；Pa為周圍空氣中水蒸氣分壓，Pa；ta為人體周圍空氣溫度，℃；tcl為服裝外表面溫度，℃；tr為周圍環境平均輻射溫度，℃；fcl為人體服裝面積系數；hc為對流換熱系數，W/（m2·K）。

周圍環境平均輻射溫度公式為

式中：Fp-i為該表面對其他表面的輻射角系數；ti為其他表面的溫度。可以看出，環境的輻射溫度對熱舒適度影響很大。

2.2 動態仿真邊界條件

對實體模型等效簡化處理后，按照實際尺寸建立雙通道飛機客艙模型。圖6為仿真模型的截面圖，客艙乘客編號規則如下：每排從左到右排序，分別為1～10號乘客，即1號乘客為背陰面窗戶乘客，10號乘客為向陽面靠窗戶乘客。

同時，分別選取乘客腳部、胸部和頭部3個位置計算仿真的PMV 值。測點具體位置如圖7所示。

各壁面的壓力溫度等條件是根據實際測量數據作為仿真邊界條件輸入。本文根據夏季北京飛往昆明的HU7211航班測量數據，利用MATLAB軟件進行邊界條件的函數曲線擬合。

客艙壓力的邊界條件如圖8所示。兩側地板、側壁和窗戶的溫度擬合曲線如圖9所示。

根據適航標準和通風衛生標準的規定，民機客艙內的新風量為每人0.25 kg/min。本文按照50%的新風空氣和50%的艙內再循環空氣組成，得出最終送風量為每人0.5 kg/min，按此邊界條件設置送風口邊界條件。考慮到3 h左右的航班客艙濕度較低，送風空氣的濕度設置為25%；向陽和背陰兩側采用統一的送風溫度為17℃。

圖6 乘客位置分布Fig.6 Passenger location distribution

圖7 乘客周圍測點分布Fig.7 Layout of measuring points around passenger

本文將乘客看成一個整體，計算乘客表面與其他各表面部分的輻射角系數，其他表面包括客艙的側壁面、天花板、地板、前后表面、座椅表面及其他乘客表面。物理模型如圖10所示。共計算了2個典型位置乘客的輻射角系數，結果如表3和表4所示。其中，乘客1為右側靠窗乘客，乘客2為右側過道乘客。各乘客對周圍環境輻射面角系數之和為1。

圖8 客艙壓力邊界條件Fig.8 Cabin pressure boundary conditions

圖9 兩側溫度邊界條件擬合曲線Fig.9 Fitting curves of temperature boundary conditions of two sides

表面p 表面i 輻射類型輻射角系數Fp-i 0.20乘客1 座艙地板表面至表面 0.13乘客1 座艙右側面表面至表面 0.29乘客1 座艙右窗戶表面至表面 0.14乘客1 座椅表面至表面 0.14乘客1 其他乘客表面至表面乘客1 座艙頂壁面表面至表面0.10

表面p 表面i 輻射類型輻射角系數Fp-i乘客2 座艙頂壁面表面至表面0.30乘客2 座艙地板表面至表面 0.18乘客2 座艙右側面表面至表面 0.08乘客2 座艙左壁面表面至表面 0.08乘客2 座艙右窗戶表面至表面 0.02乘客2 座艙左窗戶表面至表面 0.03乘客2 座椅表面至表面 0.20乘客2 其他乘客表面至表面0.11

人體作為35℃的恒溫源，透射率為0，發射率為0.97，反射率由客艙空間布局、人體透射率和發射率根據模型自動計算得出。

2.3 仿真結果分析

在構建乘客與實際客艙模型等效的仿真物理模型后，輸入實際測量數據擬合出溫度和壓力等邊界條件，在CFD中仿真計算出溫度場的分布情況及乘客周圍熱舒適度PMV值。

飛機在平飛階段艙內溫度穩定后的仿真截圖如圖11所示。結果顯示，向陽側乘客周圍的空氣溫度高于背陰側乘客周圍的空氣溫度，這與實際測量結果大致相符合。但是仿真結果的溫差并沒有實際測量的溫差大，主要原因是仿真過程中忽略了很多實際的輻射熱量和客艙內部空氣的流場分布情況，而且溫度云圖顯示的是客艙內部空氣的溫度場分布，并非窗戶、側壁和地板的溫度，因此差異性沒有實際測量結果明顯。

飛機在平飛階段艙內PMV穩定后的仿真截圖如圖12所示。結果顯示，向陽側乘客周圍的PMV值明顯高于背陰側，說明在相同的送風溫度下，即使采用遮光板向陽側窗戶周圍乘客也會有較熱的感覺。

根據國際通用的PMV計算模式，利用CFD軟件計算得出整個飛行過程中乘客頭部和胸部周圍熱舒適度在向陽和背陰兩側的平均差值，如表5和表6所示。分析表5和表6數據可以看出，采用遮光板以后，向陽和背陰兩側乘客的熱舒適度PMV仍然存在差異，特別是兩側靠近窗戶周圍的乘客，PMV值最高相差0.64，而人體在熱舒適環境下PMV的推薦值為-0.5～+0.5，所以兩側乘客肯定會產生不同的冷熱感覺，導致乘客出行過程中舒適度下降。