飛機客艙空調系統過濾效果評估仿真研究

閆 鋒,黃語瑄,袁旭峰,王立綱

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院,四川 廣漢 618307)

0 引言

客機飛行過程中,座艙內的空氣質量對乘客及機組成員的生命健康具有重要影響。在民航客機飛行過程中,客艙向乘客提供的空氣由飛機發動機的壓氣機引入客艙,空氣在進入客艙前飛機的環境控制系統會調節空氣壓力和溫度,并通過高效空氣過濾器(High Efficiency Particulate Air Filter,HEPA)進行過濾。新冠疫情傳播通常與呼吸道有關,傳播途徑有呼吸道飛沫傳播、接觸傳播和擴散的氣溶膠傳播。當前用于民用航空飛機空調系統的過濾器基本上依靠進口,供應商主要是三家均在美國的公司,分別是唐納森(Donaldson)、普雷特(Pratt)和頗爾(Pall)。以上三家公司研制過濾器起步早,掌握技術較為先進,發展迅速,研制出的產品使用效果好,其對過濾器研制技術保密,國內空氣過濾器研發相對落后。面向國家制造業的重大需求和人民群眾的生命健康,為早日實現自主研發過濾器,嘗試研究新型材料開發與制備、高效空氣過濾器的制作工藝和過濾提高效果具有重大意義。

本文選取計算流體動力學(CFD)的方法,以ANSYS Fluent仿真軟件,對民航客機再循環系統中的高效微粒空氣過濾器進行流場仿真分析,探究流場中速度、壓力、湍流強度和粒子濃度規律,輸出粒子軌跡圖,分析物理量散點圖,使過濾器內部流場可視化,從而達到提高過濾效果、優化系統功能的目的。

1 HEPA介紹

1.1 飛機再循環系統

在國外相關研究中,Dechow等人測量了飛機座艙內顆粒物和揮發性有機污染物(Volatile Organic Contaminant,VOC)參數,對座艙空氣質量進行了研究,但未涉及流場特性[1]。Hocking研究得出民航飛機上使用的過濾器對0.3 μm粒子過濾效率能達到99.97%[2]。Pui等人[3]研究得出在座艙內使用回風過濾器后可使艙內顆粒物濃度顯著降低,證明過濾器過濾污染物具有良好特性。Zhao等人[4]結合實驗和模擬計算兩種方式,分別選用六氟化硫(SF6)氣體模擬氣態污染物,選取0.7 μm粒徑的氣溶膠顆粒模擬固態污染物,分析了它們在座艙內的濃度變化和影響。在國內相關研究中,尹維友[5]建立了一種能夠檢測機艙過濾器過濾效率的實驗系統。曹祎等人[6]以某民用飛機為研究對象,提出了一種飛機座艙顆粒物濃度評估方法。李政[7]研究得出有效控制飛機座艙顆粒物污染,對改善座艙空氣質量、防止艙內傳染病傳播有重要意義。

飛機空調再循環系統示意圖如圖1所示。飛機空調再循環系統可以提供通風,具有減小發動機引氣、循環使用部分空氣的作用。高效空氣過濾器安裝在空調再循環系統中,將座艙中空氣經過消毒過濾、殺菌處理,混合潔凈空氣后,再重新供入到座艙中。座艙空調系統供氣總量中,再循環通風量約占50%[8]。再循環系統流程圖如圖2所示。

圖1 再循環系統示意圖

圖2 再循環系統流程圖

1.2 HEPA過濾機制

高效空氣過濾器圖如圖3所示。國際航空運輸協會發布的資料顯示,高效空氣過濾器在0.3 μm鄰苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate,DOP)的HEPA過濾效率為99.97%,將有效降低座艙再循環空氣中的生物氣溶膠和其他可吸入顆粒物[9]。大多數空氣過濾器由纖維介質(即玻璃纖維)制成,空氣過濾器對不同粒徑尺寸污染物顆粒的過濾機制有擴散、攔截和慣性碰撞。

圖3 高效空氣過濾器圖

2 HEPA理論方程與計算模型

2.1 HEPA理論方程

本文研究高效空氣過濾器內部流場問題,涉及不可壓縮的粘性流體的控制微分方程,滿足流體力學有關質量和動量守恒[10]。

質量守恒方程:

dρ/dt+(d/dxi)·(ρui)=sm

(1)

式中:ρ為流體的密度,單位kg·m-3;t為時間,單位s;sm為源項;xi為i方向上流體經過的距離;ui為i方向上的流體表面流速。

動量守恒方程:

d/[dt·(pui)]+(d/dxi)·(puiuj)=-dp/dxi+dτij/dxj+pgi+Fi

(2)

式中:p為微分狀態下流體表面的總靜壓,單位Pa;τij為應力張量;gi為i方向上的重力體積力之和,單位N;Fi為i方向上的外部體積力(如離散相互作用產生的升力),單位N。

能量守恒方程:

對于簡單均質多孔介質,能量簡化公式如下:

(3)

式中:div為對應變量的散度;grad為對應變量的梯度;T為流體表面的溫度 ;cp為比熱容,單位J·(kg·℃)-1;u為流速,單位m·s-1;k為流體的傳熱系數;ST為源項。

2.2 網格劃分

根據手冊示意簡圖、實物圖外形特征,建立高效空氣過濾器簡化幾何模型如圖4所示。簡化模型為一端開口,另一端封閉的多孔網狀空心圓筒。三維模型有限元計算的網格類型采取結構化網格類型,高效過濾器網格圖如圖5所示,網格總數為11 928格。

圖4 高效空氣過濾器簡化幾何模型

圖5 高效過濾器網格圖

3 模型仿真分析

3.1 HEPA裝置整體分析

研究對象選取0.3 μm密度為986 kg·m-3的鄰苯二甲酸二辛酯氣溶膠,以2 m·s-1的流速進入過濾器管道后,流經玻璃纖維管壁進行過濾。

有限元計算邊界條件設置速度入口為2 m·s-1,出口設成一個大氣壓的壓力出口。求解器設置為基于壓力求解,速度為絕對速度,選擇穩態計算。物理模型選擇黏性k-ω模型中的剪切應力傳輸模型,濾芯材料為玻璃纖維,需過濾的污染物顆粒設為鄰苯二甲酸二辛酯粒子。在迭代求解上,壓力和速度關聯算法中的SIMPLE算法使用二階迎風格式定常狀態,其余設置則選擇默認值,考慮收斂情況,選擇時間步長為100 s。獲得進出口離散相濃度云圖如圖6所示,進出口湍流動能矢量圖如圖7所示,截面的速度分布云圖如圖8所示,截面的湍流強度分布云圖如圖9所示。通過截面的速度分布云圖與截面的湍流強度分布云圖可得,過濾器入口處中心速度和中心壓力數值大,且均向遠離圓形截面圓心方向呈減小的趨勢,后呈現數值不變的趨勢。由離散相濃度云圖可知,入口處污染物擴散方式是由中心向周圍擴散,經濾網后濃度降低。由湍流動能矢量圖可知,湍流強度并不是從入口處就達到峰值,而是在距離入口處大約0.15 m處出現湍流動能最大值。大部分污染物進入高效過濾器后,沿管道軸線直線運動到接近末端位置,再運動到過濾網上,其余少部分污染物在進入后,便向過濾網處運動,或沿管道軸線直線運動一段距離后,向濾網處運動。污染物濃度經過過濾作用,不斷降低。

圖6 進出口離散相濃度云圖

圖7 進出口湍流動能矢量圖

圖8 截面的速度分布云圖

圖9 截面的湍流強度分布云圖

3.2 粒子運動特性分析

Fluent中的Plots(繪圖)工具生成X/Y坐標軸散點圖,可以清晰直觀地看到各物理量隨軸線位置變化的具體數值、變化過程和趨勢。截面粒子沿X軸靜壓曲線如圖10所示,可以看出靜壓不隨軸向位置變化。截面粒子沿X軸速度曲線如圖11所示,可知速度隨著軸向位置坐標增大而降低,表明固體污染物顆粒在過濾器內部作用下速度不斷降低。截面粒子沿X軸湍流強度曲線如圖12所示,截面粒子沿X軸湍流動能曲線如圖13所示。可知距離入口處大約0.15 m處出現湍流強度和湍流動能的最大值。

圖10 截面粒子沿X軸靜壓曲線

圖11 截面粒子沿X軸速度曲線

圖12 截面粒子沿X軸湍流強度曲線

圖13 截面粒子沿X軸湍流動能曲線

粒子軌跡圖反映的是每個粒子的運動軌跡,進入高效空氣過濾器內,污染物粒子向過濾器內壁運動,經擴散、攔截和撞擊留在過濾器內,達到過濾效果。部分粒子也會先沿軸線運動一段距離后,再向過濾器內壁運動,因濾網過濾作用,污染物粒子速度逐漸降低。粒子運動軌跡圖和截面粒子速度矢量圖分別如圖14和圖15所示。

圖15 截面粒子速度矢量圖

4 結論

對高效空氣過濾器建立三維模型,并進行流體力學仿真分析,得到以下結論:

(1)濾網使污染物粒子發生壓降,污染物粒子接近濾網區域,湍流強度較強。

(2)經過高效空氣過濾器粒徑0.3 μm的污染物顆粒,污染物擴散方式由中心向周圍擴散,經濾網后濃度降低。