一種清除引氣污染物的空調梯形信號送風方法

周立祥，林家泉

中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300

據統計，民航飛機在起飛、滑行、降落階段會排放大量的NOx、CO、SO2、細顆粒物（PM2.5）等空氣污染物［1］，致使機坪空氣品質降低。飛機起飛前需要在跑道外等待20 min左右，這期間，飛機引氣系統會將機坪大量的空氣污染物直接帶入客艙，這些引氣污染物難以通過再循環風扇快速濾除［2］，乘客長時間暴露在這種環境中將會出現健康問題［3］。因此，如何快速清除客艙內部的引氣污染物對乘客及機組人員的健康具有重要意義。

目前，國內外對于飛機客艙內污染物的擴散已有不少研究，包括不同送風方式下污染物的擴散規律研究，代炳榮等［4］研究了不同污染物在不同送風方式下的分布情況，得出天花板送風方式和個性化送風方式有較好的排污效果；陳希遠等［5］研究表明，在混合送風方式下有助于空氣污染物的擴散，而天花板送風方式會抑制空氣污染物在客艙內大范圍擴散；楊建忠等［6］研究了不同送風方式下改變再循環風比例對引氣污染物的擴散影響，發現增加再循環風比例可以提高天花板送風方式和混合送風方式的排污效率。但是這些研究都是采用常規的客艙空調恒值信號送風，存在不能快速清除客艙內污染物的問題。

增加客艙空調的通風量是一個有效提高客艙內污染物排除速率的方法［7-10］。但是，客艙空調通風量的提高會造成飛機燃油消耗增加。Mesenh?ller等［11］對非穩態通風進行了總結，發現非穩態通風可以增強室內空氣的混合效果，并可以防止室內形成穩定的大渦，從而在不增加通風量的同時改善室內的空氣品質。Wu和Ahmed［12］提出客艙空調使用方波信號送風，新鮮空氣進入客艙后會持續震蕩，增強了新鮮空氣與客艙空氣的混合效果，在不增加通風量的同時提高了排污效果；但該方案并沒有考慮乘客的熱舒適性。林家泉和戴仕卿［2］對比了方波信號送風和恒值信號送風在不同送風方式下的排污效率，發現方波信號送風具有更好的排污效果，但存在乘客熱舒適性較差的問題。林家泉等［13］研究得出客艙空調采用正弦信號送風解決了方波信號送風乘客熱舒適性較差的缺點，但排污效果較恒值信號送風提升較小。

綜上所述，為了在不增加通風量的前提下提高客艙空調對客艙內引氣污染物的排除效果并保證乘客熱舒適性，提出客艙空調梯形信號送風。模擬計算客艙空調使用梯形信號送風與恒值信號送風在天花板送風、側壁送風、混合送風方式下的艙內流場特征及空氣污染物的擴散規律。在相同邊界條件下采用等效稀釋通風量指標來評估梯形信號送風、恒值信號送風、正弦信號送風、方波信號送風的排污效果，并考慮采用非穩態送風，變化的風速會導致乘客周圍流場波動，可能會對乘客造成不適，故結合吹風感指標（Draft Rating，DR）評估乘客熱舒適性，從而找出飛機客艙空調的最佳送風工況，以期為快速清除客艙內引氣污染物提供參考依據。

1 客艙模型

1.1 飛機客艙CFD模型

采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術，建立Boeing737飛機經濟艙仿真模型。客艙模型見圖1。

圖1 客艙模型Fig.1 Model of cabin

客艙頂部有2條天花板送風口，行李架邊沿共有10條側壁送風口，地板處共有10條排風口，過道兩側分布著5排6列共30個座位。使用四面體劃分法對整個客艙模型進行網格劃分，并在送風口、排風口等復雜流場區域精細化網格，進行網格無關性驗證以排除網格數量對仿真計算的影響，劃分網格數量為534萬個。

1.2 數值模型

使用CFD技術對飛機客艙進行仿真，在湍流計算中使用湍流模型RNGk-?可以得到較為準確的結果，湍流模型的控制方程［14］為

1.3 客艙CFD模型驗證

使用粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry，PIV）技術測得實驗艙風速場，并將其與仿真得到的結果進行對比以驗證客艙模型的準確性。實驗艙如圖2所示。

圖2 實驗艙Fig.2 Experimental cabin

使用煙霧發生器產生平均粒徑為1.5 μm的顆粒作為示蹤粒子，從實驗艙的天花板送風口、側壁送風口送入實驗艙，然后在第2排與第3排中間使用相機采集流場數據，單次采集區域大小為900 mm×600 mm，再利用數據處理將采集到的各區域進行拼接處理得到風速場，并將其與CFD仿真得到的風速場進行對比，結果如圖3所示。由圖可知，PIV實驗結果與仿真結果得到的氣流運動特征基本一致。因此，可以認為該客艙模型準確可靠。

圖3 PIV實驗和仿真結果Fig.3 PIV experiment and simulation results

1.4 仿真邊界條件設定

模擬計算中選取NO2為空氣污染物，先向客艙通入50 s空氣，其中包含質量分數為5×10-5的NO2，然后持續200 s送入新鮮空氣進行排污。客艙空調在恒值信號送風和梯形信號送風下送風量一致，送風信號以50 s為一個周期，進行250 s，5個完整周期的送風，各工況下各送風口送風速度如表1所示，表中t的單位為s。其中混合送風方式為側壁送風口與天花板送風口同時工作。

表1 送風速度Table 1 Air supply speed

以側壁送風方式為例，客艙空調梯形信號送風和恒值信號送風風速圖如圖4所示。

圖4 側壁送風下2種信號送風速度Fig.4 Two signal air supply velocities in side wall air supply mode

2 客艙仿真結果

對比研究客艙空調采用恒值信號送風和梯形信號送風時，在天花板送風、側壁送風、混合送風方式下對客艙進行250 s、包含5個完整周期的送風，且每個周期內不同工況下的總送風量保持一致。

2.1 流場渦結構模擬

渦旋會導致客艙內某些區域空氣污染物濃度較高，出現空氣污染物“鎖定”現象［15］，在以渦量為主的流場區域，客艙中空氣污染物更易聚集，難以被排出艙外［16-17］；客艙流場的變化對艙內污染物的傳播具有重要影響［18］。所以，采用Omega渦識別方法，觀測客艙流場渦結構的變化，計算公式［19］為

式中：A為流場運動的變形部分；B為流場運動的渦量部分；ε為極小正數，用以防止出現零除零現象；Ω為渦量平方除以渦量平方和變形平方之和的比值。

由于渦旋在流體運動中始終為渦量和變形量的混合，當Ω≥0.52時認為該區域形成了渦旋且數值越大渦強度越高。

圖5為3種送風方式下，客艙空調采用恒值信號送風時，不同時刻客艙第2排乘客與第3排乘客之間的流場渦結構圖。如圖所示，Ω≥0.52的區域為渦旋區域，客艙空調使用恒值信號送風時，天花板送風方式下，客艙中渦主要集中在客艙兩側，大渦穩定存在，只有較小的渦結構發生變化。側壁送風方式下，渦主要分布在客艙兩側，t=200 s時，客艙兩側存在的2個大渦，t=225， 250 s時，客艙兩側的大渦消失，出現幾個較小的渦，但是位置未發生明顯改變。混合送風方式下，t=200， 225 s時，渦主要分布在客艙兩側，過道位置處較少，t=250 s時，客艙中渦分布更為零散，過道位置形成更多的渦。綜上所述，客艙空調采用恒值信號送風，流場渦結構變化較明顯的是混合送風方式，變化最為平緩的是天花板送風方式。

圖5 采用恒值信號送風時客艙內部流場渦結構Fig.5 Vortex structure of mixed air supply mode at cabin interior （constant value signal）

圖6為客艙空調采用梯形信號送風時，3種送風方式下、不同時刻客艙第2排乘客與第3排乘客之間的流場渦結構圖。

圖6 采用梯形信號送風時客艙內部流場渦結構Fig.6 Vortex structure of mixed air supply mode at cabin interior （trapezoidal signal）

天花板送風方式下，渦結構發生了明顯的變化，t=200 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度；t=225 s時，渦主要分布在客艙兩側乘客軀干高度；t=250 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度。側壁送風方式下，t=200 s時，渦的分布較為零散，以小面積渦的形式存在；t=225 s時，客艙地板位置處形成了一個橫跨過道的大渦；t=250 s時，渦以小面積的形式零散的分布在客艙兩側及天花板位置。混合送風方式下，t=200 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度及客艙兩側地板位置處；t=225 s時，在客艙兩側乘客頭頂高度形成2個大渦，并在天花板、過道、地板形成多個較小的渦；t=250 s時，渦主要分布在乘客頭頂高度及客艙兩側地板位置處。

綜上所述，客艙空調采用梯形信號送風比采用恒值信號送風的流場渦結構變化更為明顯，其中變化最明顯的是客艙空調采用梯形信號送風時的天花板送風方式。

2.2 污染物濃度場模擬

圖7為t=250 s時客艙空調使用2種送風信號在3種送風方式下的乘客呼吸區客艙橫截面空氣污染物NO2質量分數分布圖。

圖7 t=250 s時恒值信號、梯形信號送風下呼吸區截面NO2分布Fig.7 Distribution of NO2 in respiratory area with onstant value signal and trapezoidal signal air supply at t=250 s

對比客艙空調使用梯形信號送風與恒值信號送風，在同種送風方式下，采用梯形信號送風時乘客呼吸區污染物濃度較低。客艙空調采用恒值信號送風時，天花板送風方式下的乘客呼吸區NO2質量分數最高，混合送風方式下的乘客呼吸區NO2質量分數最低；客艙空調采用梯形信號送風時，側壁送風方式下的乘客呼吸區NO2質量分數最高，天花板送風方式下的乘客呼吸區NO2質量分數最低。飛機客艙空調在不同工況下呼吸區NO2質量分數如圖8所示。

圖8 客艙呼吸區NO2質量分數Fig.8 Mass fraction of NO2 in respiratory area

由圖8可得，在乘客呼吸區，客艙空調使用梯形信號送風相比于恒值信號送風，在天花板送風、側壁送風、混合送風方式下NO2質量分數分別下降了45.2%、20.6%、22.9%。

綜上所述，在乘客呼吸區，梯形信號送風比恒值信號送風有更好的排污效果，其中客艙空調采用梯形信號送風時的天花板送風方式具有最佳的排污效果。結合流場渦結構分析可知，梯形信號送風具有更好的混合空氣的效果，其變化的流場可以打破采用恒值信號送風時存在的空氣滯留區，從而有利于污染物的清除。

3 客艙排污效果評價

使用等效稀釋通風量指標來評價客艙空調在采用梯形信號送風下的排污效果，并與客艙空調采用恒值信號送風、正弦信號送風、方波信號送風進行對比。

在經典的全面通風理論中，假定艙外向艙內通入新風可以瞬間與艙內原帶有污染物的空氣均勻混合，再將混合后的氣體排出艙外，從而稀釋污染物濃度。通風后的艙內污染物濃度可以通過仿真得到，并可反推出此次通風等效的理想狀態下的通風量，通風量的計算公式［20］為

客艙空調在不同工況下等效稀釋通風量的計算結果如圖9所示。由圖可知，客艙空調采用的梯形信號送風相比于采用恒值信號送風，在天花板送風、側壁送風、混合送風方式下等效稀釋通風量分別提高了78.2%、34.3%、23.1%。其中，采用梯形信號送風時，天花板送風方式具有最高的等效稀釋通風量。因此，可以判斷客艙空調采用梯形信號送風比采用恒值信號送風有更好的排污效果。

圖9 不同工況的等效稀釋通風量Fig.9 Diluting flow rates under different conditions

在相同邊界條件下，將客艙空調采用梯形信號送風與正弦信號送風和方波信號送風進行對比，如圖9所示，客艙空調使用梯形信號送風排污效果要劣于方波信號送風，但優于正弦信號送風。

4 乘客熱舒適性分析

客艙空調使用非穩態信號送風（梯形信號送風、方波信號送風和正弦信號送風）會產生風速的波動，導致湍流強度增加，致使人體吹風感加強，從而引起乘客不適。因此，以吹風感指數DR為指標，評價不同工況下乘客的熱舒適性，按照美國空氣質量和溫度控制協會標準ASHRAE 113-2013要求DR＜20%，計算公式［13］為DR=(34-ti)(vi-0.05)0.62(0.37viTu+3.14)（4）式中：vi為監測位置空氣流速；ti為監測位置空氣溫度；Tu為監測位置湍流強度。

由于空調非穩態信號送風風速不斷變化的特性，選擇其送風速度達到高風速階段的時間，分別計算5排乘客位置處的DR值。圖10為不同工況下各排乘客位置處DR值。由圖10可知，空調采用方波信號送風在天花板送風方式下和混合送風方式下，乘客周圍的DR值均高于20%，不符合熱舒適性要求。客艙空調使用梯形信號送風、正弦信號送風、恒值信號送風，乘客位置處的DR值均低于20%，符合乘客熱舒適性的要求。

圖10 乘客周圍截面吹風感指數（DR）Fig.10 DR of cross section around passengers

5 結論

在所設定仿真邊界條件下，對比飛機客艙空調使用梯形信號送風、恒值信號送風在天花板送風方式、側壁送風方式、混合送風方式下的流場結構。使用等效稀釋通風量指標、吹風感指標評估客艙空調在不同工況下的對空氣污染物NO2排除效果及乘客熱舒適性，得到以下結論：

1） 相比于恒值信號送風，客艙空調采用梯形信號送風使客艙流場變化更為劇烈，具有更好的混合艙內空氣的效果，從而可提高客艙中空氣污染物的清除效果。

2） 在乘客呼吸區，客艙空調采用梯形信號送風具有比恒值信號送風更好的排污效果，其中梯形信號送風下的天花板送風方式具有最佳的排污效果。相比于恒值信號送風，梯形信號送風在天花板送風、側壁送風、混合送風方式下NO2質量分數分別下降了45.2%、20.6%、22.9%。

3） 采用梯形信號送風擁有比恒值信號送風更好的客艙排污效果，其中，梯形信號送風下天花板送風方式具有最好的排污效果。相比于恒值信號送風，梯形信號送風在天花板送風、側壁送風、混合送風方式下等效稀釋通風量分別提高了78.2%、34.3%、23.1%。

4） 客艙空調采用梯形信號送風在乘客周圍具有較高的吹風感，但其DR值仍然低于20%，符合乘客熱舒適性的要求。

5） 客艙空調使用非穩態信號送風的排污效果優于恒值信號送風，其中方波信號送風排污效果最佳，但使用方波信號送風在天花板送風方式、混合送風方式時乘客位置處的DR值高于20%，不符合乘客熱舒適性的要求；客艙空調使用梯形信號送風排污效果優于正弦信號送風。