大型民機座艙氣態污染物分布特性數值模擬研究

張盛 周瓊瑤

上海飛機設計研究院

0 引言

飛機座艙存在高人員密度、低新風量、高密閉性的環境特點[1]，污染物的傳播可能嚴重影響乘員及機組人員的健康和舒適性。座艙通風系統對于座艙污染物傳播規律、控制座艙污染物濃度具有重要的影響[2-3]。劉靜悅[4]采用CFD 技術研究了某型單通道客艙在不同氣流組織方案下的空氣品質，研究發現天花板送風加個人噴口送風能提供更好的客艙空氣品質。李衛娟[5]提出了個性化座椅通風系統，并采用CFD 技術對比分析了傳統混合送風方式和個性化座椅送風方式，研究發現個性化座椅送風系統能有效降低客艙內的平均污染物濃度，降低乘客交叉感染的幾率。李炳燁[6]在MD-82 飛機實驗平臺上研究了個性化送風噴口對示蹤模擬污染物傳播特性的影響，研究發現個性化送風較大的送風速度會劇烈影響座艙內的整體氣流，在座艙橫向方向上開啟的個性化送風口形成“空氣幕”從而有效阻礙污染物傳播。李彎彎[7]建立了基于波音737的飛機客艙仿真模型，運用CFD 技術分析了送風速度下對客艙空氣品質的影響，研究中將氣態污染物CO2作為研究對象，研究表明隨著送風速度增大，CO2擴散趨勢更加明顯，同時由于送風氣流的稀釋作用增強，CO2濃度隨送風速度增大而降低。

本文以某型雙通道大型客機座艙為研究對象，通過合理化簡化模型，建立不同通風系統下的數值模擬模型，對比分析寬體客機座艙不同通風系統方案下氣態污染物分布特性，為寬體客機通風系統設計和空氣品質改善提供參考。

1 幾何模型和網格模型建立

本文研究的飛機座艙為雙通道寬體客機，座位分布為3-4-3。本文合理簡化了座艙物理模型，保留座艙內部的座椅、乘客、行李架，艙壁通過簡化保留了進出風口、燈、窗戶。同時，考慮到座艙內部流動的周期性，以及模型的左右對稱特征，本文對三排座位的飛機座艙進行建模，且選擇右側對稱模型進行研究。座艙的幾何模型如圖1 所示。

圖1 座艙簡化模型

針對該飛機座艙設計了四種不同的氣流組織，分別為天花板混合通風（Ceiling Supply Mixing Ventilation,CMV）、側壁混合通風（Sidewall Supply Mixing Ventilation,SMV）、地板置換通風（Under-floor Displacement Ventilation,FDV）、側壁置換通風（Sidewall Displacement Ventilation,SDV）。具體的送風口、排風口位置及幾何尺寸如表1 所示。

表1 氣流組織供排氣口尺寸

本文選用ICEM 軟件進行網格劃分，結構網格示意圖如圖2 所示。為保證數值模擬結果的準確性，對座艙內部流場變化較為劇烈的部分進行加密，如對風口位置、口鼻位置、人體周圍等，本文數值模擬的網格數目約為400 萬。

圖2 網格模型

2 邊界條件設置

座艙內主要污染物是人體由于新陳代謝產生的CO2、水汽和其他的氣味。人體散發的氣味雖然沒有毒性但也會造成不適感，而CO2的濃度控制不當就會對人體健康造成威脅，當CO2濃度達到2%時會使得人體呼吸速率加快，當濃度達到5%會使呼吸變得短促，當濃度達到10%將使人窒息[8]。因此，本文選擇人體呼吸產生的CO2作為污染源進行研究。

計算設置如下：

1）座艙內的流體設置為不可壓縮理想氣體。

2）送風口：送風口邊界設置為速度入口，送風口的送風速度由送風風量和送風口面積共同決定，送風風量為8 L/(人·s)；送風溫度為292.15 K；CO2的摩爾分數設置為0.085%[9]。

3）排風口：排風口邊界設置為壓力出口。

4）人體口鼻：設置為速度入口，氣體流速為0.1 m/s，為主要的CO2污染源，CO2摩爾分數為5%，溫度為304.15 K。

5）內部壁面：座艙內部壁面、人體、座椅均設置為無滑移且忽略壁厚的固體壁面（Wall）。各壁面邊界的具體設置參數參考文獻[10-11]，如表2 所示。

表2 壁面邊界的設置參數

6）座艙前后端面：座艙的前后端面設置為周期性邊界。

7）座艙的中間面：座艙的中間面設置為對稱邊界。

3 計算結果與分析

3.1 速度場分析

各混合通風系統下速度場分布如圖3 所示。混合通風系統的送風口布置對座艙內的速度分布具有較大的影響：在CMV 系統下，來自于天花板供風口的高速氣流在供風口的射流動量驅動下送入座艙，因此過道處的流速較高。在SMV 系統下，來自于行李架側壁供風口的氣流水平向座艙內送風，由于送風角度和壁面的影響，進入座艙內的新鮮空氣沿著座艙壁面向天花板頂部運動，因此，座艙內乘客區的風速較低。

圖3 混合通風系統下在截面X=1.45 m 上的速度場

各置換通風系統下的速度場如圖4 所示。置換通風系統的送風口位置對座艙內的速度分布也具有較大的影響。但是，置換通風系統下，座艙內大部分區域的風速都控制在較低水平（0.35 m/s 以下）。在FDV 系統下，由于地板供風口仍具有較大射流動量，因此過道處的局部風速較高。在SDV 系統下，新鮮空氣由地板上方側壁處的供氣口水平送入座艙，因此在送風口附近有明顯的“高速”區，并且從右至左速度呈現出遞減趨勢。

圖4 置換通風系統下在截面X=1.45 m 上的速度場

3.2 污染物濃度場分析

3.2.1 混合通風系統的污染物分布特性

圖5 表示各混合通風系統下Z=1.1 m 的CO2濃度場，圖中顯示的是CO2的質量分數。民用飛機座艙內CO2的限定值為5000ppm[12]，即飛機座艙內CO2質量分數不超過0.0075。對比分析各混合通風系統發現，座艙內的CO2質量分數均低于0.0075，但是送風口的位置對座艙內CO2的排除和分布具有較大影響。在CMV 系統中，由于新鮮空氣直接輸送過道附近，因此過道和3 號乘客周圍的CO2濃度較低，而4、5 號乘客呼吸區附近的CO2濃度比較高。在SMV 系統中，由于新鮮空氣沿著座艙壁經天花板輸送至1 號乘客周圍，因此1 號乘客呼吸區的CO2濃度最低，而3、4 號乘客呼吸區附近的CO2濃度比較高。

圖5 混合通風系統下Z=1.1 m 的污染物濃度場

3.2.2 置換通風系統的污染物分布特性

圖6 表示各置換通風系統下Z=1.1 m 的CO2濃度場，圖中顯示的是CO2的質量分數。由圖發現，置換通風系統下的CO2濃度明顯低于混合通風系統下的CO2濃度，且座艙內的CO2質量分數均低于0.003。同時，每一位乘客口鼻附近的CO2濃度都較低。因此，置換通風系統能為座艙提供更優的空氣品質。

圖6 置換通風系統下Z=1.1 m 的污染物濃度場

3.2.3 座艙內各水平面上污染物濃度特征

為了進一步定量分析飛機座艙內各水平面內的污染物濃度分布狀況，對垂直方向上CO2濃度分布的特性進行分析討論，結果如圖7 所示。由圖7 可見，在所有的垂直高度內，置換通風系統下的污染物濃度均明顯低于混合通風系統，并且FDV 系統在任意高度上的平均CO2濃度最低。

圖7 各通風系統垂直方向上的平均CO2 摩爾分數

4 總結

本文通過對某型雙通道寬體飛機座艙內的氣流組織進行了數值模擬研究，分析了混合通風系統和置換通風系統下座艙內的CO2污染物濃度場的分布特性。研究結果表明：

1）混合通風系統通過新鮮空氣的“稀釋”作用，盡量降低呼吸區附近的污染物，因此在流動停滯區域易造成污染物的堆積，不同的送風口布置位置污染物堆積區域也有所區別，對于CMV 系統，容易在遠離過道的區域易造成污染物堆積，對于SMV 系統，過道附近乘客呼吸區的污染物濃度較高。

2）混合通風系統和置換通風系統下座艙內的CO2濃度滿足CCAR25 部條款要求，但是送風口的位置對座艙內CO2的排除和分布具有較大影響，總體而言，置換通風系統下座艙內的污染物濃度更低，空氣品質更好，其中當送風口設置于過道時即FDV 系統下的空氣品質最佳。

本文以人體呼吸產生的CO2為污染源，對比分析了不同送風系統對座艙空氣品質的影響，僅CO2濃度分布這一項指標而言，將送風口設置于地板即采用下送上回的送風方式最優。通風系統的優化設計還應綜合考慮吹風感、熱舒適性等多項指標。本文的研究方法和研究結果能為后續大型客機座艙通風系統的設計優化、及空氣質量提升研究提供一定的理論基礎和方法支持。