劉毓迪，孫學德，張存，南國鵬

中國商飛上海飛機設計研究院，上海 201210

隨著人們出行需要的日漸增加，飛機成為一種主流的交通工具。由于飛機座艙存在空間密閉、活動范圍小、人員密集的特點，在旅途中通過飛機的環(huán)控系統(tǒng)為旅客和機組成員營造一種健康、舒適的座艙環(huán)境就顯得尤為重要。座艙的氣流組織由環(huán)控系統(tǒng)的主通風系統(tǒng)負責，而考慮不同乘客個體對舒適性需求的各異性，通常飛機中還會采用個人通風的設計，尤其是在炎熱的夏季，不少乘客會借助個人通風系統(tǒng)滿足自身對熱舒適性的要求。重慶大學的方趙嵩對不同季節(jié)下23個航班艙內(nèi)的熱舒適性進行問卷調(diào)查，結(jié)果60%的乘客認為有必要設置個人通風系統(tǒng)，并且調(diào)節(jié)的主要部位集中在頭部和上身部位[1]。

目前國內(nèi)外關于座艙舒適性已經(jīng)有不少試驗和數(shù)值模擬的研究，但是其主要關注了座艙內(nèi)主通風系統(tǒng)的流場和溫度場特性[2-8]或者座艙內(nèi)污染物例如CO2、揮發(fā)性有機物(VOC)、顆粒物以及病菌的傳播等[9-14]。關于個人通風方面的研究，較多的關注點是提出一種新型的個人通風方式以提高人體舒適性，例如Zhang和Chen提出了一種椅背送風方式[15]。針對現(xiàn)有商用飛機噴嘴式個人通風系統(tǒng)的研究較少，主要是采用試驗結(jié)合問卷調(diào)查的方法[1-2]，雖然能夠在一定程度上判斷乘客的主觀熱舒適性，但是由于需要較大的樣本數(shù)量才能具有統(tǒng)計學意義，并且受試者的性別、年齡、心理狀況等個人主觀因素都會對結(jié)果產(chǎn)生影響，使得研究結(jié)果具有一定的局限性。另一方面，試驗艙的搭建耗時長，成本高，且只能復現(xiàn)座艙內(nèi)部的環(huán)境，較難重現(xiàn)送風格柵上游管道的真實構(gòu)型，艙內(nèi)的氣流環(huán)境也會有異于真實情況。

關于人體熱舒適性的評價標準，應用最為廣泛的是Fanger提出的熱舒適方程[16]，基于熱舒適性方程的舒適性評價指標PMV也經(jīng)常被用于飛機座艙的舒適性評估[17]。但是這個方程涉及參數(shù)較多，計算比較復雜，為了尋求一種簡單的可以客觀評價人體熱舒適的方法，有研究引入了平均皮膚溫度，認為可以用平均皮膚溫度來評價人體熱舒適[18]。劉蔚巍[19]通過人體試驗，從生理學角度對26種基于人體平均皮膚溫度的有效人體熱舒適模型進行客觀評價，找出一種現(xiàn)有最適用于人體熱舒適評價的計算方法。

本文中采用計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬的方法，使用商業(yè)軟件Star CCM+對某真實商用飛機的3排座艙(包括內(nèi)飾和主通風系統(tǒng)部分送風管道)進行建模。首先利用軟件自帶熱舒適模型估算穩(wěn)定狀態(tài)下的座艙平均溫度。然后結(jié)合該溫度下人體的散熱量，模擬計算出個人通風送風溫度為7、12、14 ℃時，座艙內(nèi)的氣流組織和溫度分布情況。通過將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，驗證了數(shù)值計算的準確性。最后計算出不同個人通風送風溫度下，目標乘客的平均皮膚溫度，客觀評價不同個人通風送風溫度對乘客熱舒適性的影響，對于個人通風送風參數(shù)的確定和優(yōu)化具有重要的參考意義。

1 數(shù)值模擬

本文對某真實商用飛機3排座艙進行建模，模型尺寸為3.7 m×3 m×2.2 m，模型包括客艙主通風系統(tǒng)進入客艙之前的部分連接管道，以保證送入艙內(nèi)的氣流符合真實情況，方趙嵩[1]的研究表明飛機個人通風噴嘴符合圓形射流衰減規(guī)律，因此個人通風送風口的氣流組織特性與上游關系不大，模型中僅畫出送風口截面代替。艙內(nèi)含有 3排經(jīng)濟艙座椅，共18名乘客，座艙模型如圖1所示。

本文采用地面熱天工況來模擬設置邊界條件，具體如表1所示。3排座艙的前后界面設置為周期性邊界條件，出口設置為壓力出口。通常認為座艙主送風為左右兩側(cè)對稱，且沿軸向均勻分布，表1中給出的是單側(cè)每排座椅的主送風流量。窗戶的穿透率設置為0.65，座艙照明功率為每排86 W，乘客閱讀燈功率為每人1.5 W，乘客服務系統(tǒng)功率為每側(cè)每排40 W，其他設置為默認值。采用穩(wěn)態(tài)Realizablek-ε模型進行計算。

根據(jù)段然[20]的研究，合理的網(wǎng)格疏密分布能夠在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時減少網(wǎng)格數(shù)量。在靠近壁面、假人和送風口等邊界處進行網(wǎng)格加密，而遠離邊界的區(qū)域網(wǎng)格尺寸加大，以得到疏密有致的網(wǎng)格分布。本文采用該研究中推薦的尺寸對圖1中模型進行網(wǎng)格劃分，得到數(shù)量約為1 100萬的網(wǎng)格。為了驗證計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的獨立性，基于相同的加密原則，在調(diào)整網(wǎng)格大小的基礎上，分別得到網(wǎng)格數(shù)量為800萬和1 500萬的計算模型，結(jié)合Star CCM+軟件自帶舒適性模型，對3種不同密度的網(wǎng)格模型分別進行計算，圖2中展示了3種不同密度網(wǎng)格情況下座艙第2排走廊中軸線位置各點的速度隨高度的變化情況。網(wǎng)格數(shù)量為1 100萬和1 500萬的情況下，目標位置各點速度隨高度的變化趨勢基本一致，而網(wǎng)格數(shù)量為800萬時，在靠近地板和天花板的位置，目標點的速度偏差較大?？紤]到計算時間等因素，本文認為采用1 100萬網(wǎng)格進行計算的結(jié)果已經(jīng)能夠滿足需求。下文中將使用1 100萬網(wǎng)格的計算結(jié)果進行分析。

圖1 某商用飛機3排座艙模型(為顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前界面已隱藏)Fig.1 3-row cabin model of a commercial aircraft (front interface is hidden to show inner structure)表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

工況地板總傳熱系數(shù)/(W·K-1)側(cè)壁板溫度/℃窗戶溫度/℃天花板溫度/℃太陽輻射[18]/W主送風溫度/℃主送風流量/(kg·s-1)個人通風溫度/℃每側(cè)每排座椅的主送風流量/(m3·s-1)個人通風關157.825.343225.34113070.044157.825.343225.34113070.04470.0033個人通風開157.825.343225.34113070.044120.0033157.825.343225.34113070.044140.0033

采用1 100萬網(wǎng)格、Star CCM+軟件自帶舒適性模型和表1中其他邊界條件，計算得到不打開個人通風的情況下，艙內(nèi)的穩(wěn)定平均溫度為19.8 ℃，滿足美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會關于商用飛行器內(nèi)部空氣質(zhì)量的標準ASHRAE Standard 161-2007的要求，即在地面時艙內(nèi)溫度控制范圍為18.3～23.9 ℃[21]。由于個人通風流量占總送風量比例很小，可以認為個人通風打開和關閉情況下座艙內(nèi)的平均溫度相差不大。在此溫度下，乘客散熱量的計算表達式為

QM=188-4.7Tc

(1)

式中：QM為人體散熱量， W；Tc為座艙內(nèi)平均溫度，℃。根據(jù)式(1)，可計算得到乘客的散熱量為94.94 W[20]。

根據(jù)表1，關閉Star CCM+自帶舒適性模型，并將計算得到的乘客散熱量作為邊界賦值，將乘客作為熱源，采用1 100萬網(wǎng)格分別計算個人通風送風溫度為7、12、14 ℃情況下的溫度和速度場。由于計算選用的是3排座艙，選取最接近真實情況的中間一排進行分析，具體結(jié)果見第3節(jié)。

圖2 網(wǎng)格獨立性分析Fig.2 Analysis of gird independence

2 試驗驗證

為了驗證數(shù)值模擬的準確性，本文采用試驗的方法對不同個人通風送風溫度時，假人模型頭部位置的溫度進行測量。試驗原理如圖3所示。

試驗室環(huán)境溫度穩(wěn)定在21 ℃左右，使用小型恒溫艙通過真實飛機個人通風噴嘴向下方假人模型頭部送風。噴嘴距離假人的頭部距離設置為584、614、836 mm，分別對應了飛機上經(jīng)濟艙靠窗，中間以及靠近過道位置的個人通風噴嘴到乘客頭部的距離?？諝饬髁繛?.003 m3/s，調(diào)節(jié)空氣溫度為7、12和14 ℃，分別測量不同距離時，乘客頭部附近的溫度值。試驗裝置如圖4所示。

圖3 試驗原理圖Fig.3 Diagram of test principle

圖4 試驗裝置圖Fig.4 Diagram of test facility

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果

本文模擬的座艙模型如圖1所示，與目前市場上的主流機型類似，客艙主通風由行李箱附近的左右各3對送風口完成，每對送風口包括天花板頂部和行李箱下部2種，氣流在座艙內(nèi)充分流動后，通過側(cè)壁板底部的排風格柵排出艙外。個人通風按照飛機座艙通風系統(tǒng)驗證的典型工況設置開閉情況，即與打開的個人通風噴嘴相鄰的個人通風噴嘴關閉，保證共有50%的個人通風噴嘴打開。因此本次模擬中共打開個人通風噴嘴9個，關閉的個人通風噴嘴由于沒有氣流，在模型中沒有畫出。為了保證結(jié)果的準確性，本文選取中間一排的乘客作為研究對象，圖5中給出了不同個人通風送風溫度(Tiv)下，中間一排乘客截面的流場分布情況。

根據(jù)圖5可以看出，3種個人通風送風溫度下，乘客頭部附近流速分布比較接近。除了受個人通風影響的區(qū)域，人體周圍的流速在0.2 m/s左右。個人通風打開位置乘客頭部風速較大，部分區(qū)域達到或超過1 m/s?；緷M足ASHRAE Standard 161-2007中的規(guī)定：坐著的乘客和乘務人員的周圍風速應小于0.36 m/s；當個性化送風噴嘴開啟時人體頭部高度的風速應大于1 m/s。

表2所示為不同個人通風送風溫度下乘客頭部平面、腳部平面、最左側(cè)乘客中線截面和最右側(cè)乘客中線截面的平均溫度。當個人通風送風溫度從7 ℃ 升高到14 ℃時，乘客頭部平面平均溫度波動為0.4 ℃，腳部平面平均溫度波動為0.6 ℃，最左側(cè)乘客中線截面平均溫度波動為0.4 ℃，最右側(cè)乘客中線截面平均溫度波動為0.5 ℃。垂直溫差不超過0.5 ℃，水平溫差不超過1.1 ℃。滿足ASHRAE Standard 161-2007中關于水平溫差小于4.4 ℃，垂直溫差小于2.8 ℃的要求。

圖5 不同個人通風送風溫度下中間一排座位截面速度分布圖Fig.5 Distribution of velocities of middle-row section at different individual ventilation temperatures表2 不同個人通風送風溫度下座艙內(nèi)溫度分布Table 2 Distribution of temperature in cabin at different individual ventilation temperatures

工況頭部溫度/℃腳部溫度/℃垂直溫差/℃最左側(cè)溫度/℃最右側(cè)溫度/℃水平溫差/℃Tiv=7 ℃17.818.10.319.920.91.0Tiv=12 ℃18.218.60.420.221.31.1Tiv=14 ℃18.218.70.520.321.41.1

3.2 試驗結(jié)果

表3中展示了試驗測量的結(jié)果，可以看出不同個人通風送風溫度下，同一排不同座位的乘客頭部區(qū)域溫度基本沒有差別。隨著個人通風送風溫度的升高，乘客頭部區(qū)域的溫度也有少許的升高，但是變化很小,在0.8 ℃以內(nèi)。從試驗結(jié)果上來看，不同個人通風送風溫度對乘客頭部位置的溫度影響很小。

表3不同個人通風送風溫度下乘客頭部位置測量溫度

Table3Measuredtemperaturenearpassengerheadatdifferentindividualventilationtemperatures

工況噴嘴與乘客頭部距離/mm乘客頭部位置溫度/℃Tiv=7 ℃58419.761419.883619.9Tiv=12 ℃58420.361420.383620.3Tiv=14 ℃58420.561420.283620.4

方趙嵩采用現(xiàn)役A320飛機個人通風噴嘴元件對個人通風噴嘴等溫湍流衰減規(guī)律進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)該噴嘴射流符合圓形射流的衰減規(guī)律。因而在周圍環(huán)境空氣流速較小，并且溫度變化不劇烈的情況下，飛機個人通風噴嘴的送風氣流速度和溫度基本不受周圍環(huán)境的影響[1]。所以，可以認為試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有可比性。

表4中對比了不同個人通風送風溫度下乘客頭部區(qū)域平均溫度的數(shù)值模擬和試驗結(jié)果，可見在不同個人通風送風溫度下，乘客頭部區(qū)域的溫度差別不大，都在0.6 ℃以內(nèi)。試驗值皆略高于模擬值，這與試驗室模擬艙內(nèi)的平均溫度略高于模擬結(jié)果有關，誤差屬于可以接受范圍內(nèi)。

表4不同個人通風送風溫度下乘客頭部區(qū)域平均溫度模擬值和試驗值對比

Table4Comparisonofsimulatedandmeasuredaveragetemperaturenearpassengerheadpositionatdifferentindividualventilationtemperatures

工況頭部區(qū)域平均溫度/℃模擬值試驗值Tiv=7 ℃17.819.8Tiv=12 ℃18.220.3Tiv=14 ℃18.220.4

3.3 基于平均皮膚溫度的舒適性分析

本文采用平均皮膚溫度的方法對不同個人通風送風溫度下乘客的舒適度進行評估，選取中間一排右側(cè)第2名乘客作為研究對象。根據(jù)劉蔚巍[19]的研究，在現(xiàn)有用于人體熱舒適評價的平均皮膚溫度計算方法中,選取表5中的方法進行計算。當計算出的平均皮膚溫度低于32.59 ℃時，乘客為冷不舒適；當平均皮膚溫度處于32.59～33.71 ℃之間時，乘客為熱舒適；當平均皮膚溫度高于33.71 ℃時，為熱不舒適。

根據(jù)表5中對人體皮膚的分區(qū)和各個分區(qū)的占比，計算出不同個人通風送風溫度下乘客的平均皮膚溫度，如表6所示。雖然個人通風基本上不會影響人體下半部分的區(qū)域，但是由于基于平均皮膚溫度的舒適性分析方法的判斷標準是以整個人體各個部分的加權(quán)溫度為基準的，本文中計算也將大腿和足部區(qū)域考慮在內(nèi)。隨著個人通風送風溫度從7 ℃上升到14 ℃，目標乘客的平均皮膚溫度上升了0.33 ℃。當個人通風送風溫度為7 ℃和12 ℃時，目標乘客平均皮膚溫度處于32.59～33.71 ℃之間，即為熱舒適狀態(tài)。當個人通風送風溫度為14 ℃時，目標乘客平均皮膚溫度為33.76 ℃，略微超出舒適范圍，但仍然屬于可接受的范圍內(nèi)。

表5 平均皮膚溫度計算方法Table 5 Calculation method of average skin temperature

表6 個人通風送風溫度下乘客平均皮膚溫度Table 6 Average skin temperature of passenger at different individual ventilation temperatures

4 結(jié) 論

根據(jù)數(shù)值模擬和試驗結(jié)果，不同個人通風送風溫度對乘客頭部區(qū)域的溫度影響較小，隨著個人通風溫度從7 ℃上升到14 ℃，乘客頭部區(qū)域溫度變化不超過0.8 ℃。個人通風送風溫度對乘客平均皮膚溫度影響較小，隨著個人通風溫度從7 ℃ 上升到14 ℃，目標乘客平均皮膚溫度上升0.33 ℃，個人通風送風溫度對乘客的熱舒適有一定的影響，但是影響較小。

然而根據(jù)實際乘坐飛機的體會，在感到空氣比較悶熱的時候，打開個人通風噴嘴，確實會使人產(chǎn)生涼爽舒適的感覺，考慮可能是由于個人通風氣流速度較大，加強了人體頭部區(qū)域的空氣流動，進而使乘客感覺到舒適，個人通風流速對人體舒適性的影響仍有待進一步研究。