王剛，馮超，鄭麗

（中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海 201323）

民用飛機(jī)客艙通風(fēng)系統(tǒng)一般由主通風(fēng)和個(gè)人通風(fēng)組成，主通風(fēng)系統(tǒng)給艙內(nèi)提供充足的空氣量，并進(jìn)行溫度控制，而個(gè)人通風(fēng)系統(tǒng)作為輔助調(diào)節(jié)手段，則可以滿足部分乘客的舒適性要求。個(gè)人通風(fēng)系統(tǒng)由分配集氣管和通風(fēng)噴嘴組成，噴嘴可以產(chǎn)生附加的空氣運(yùn)動(dòng)，給旅客提供新鮮而溫度適宜的空氣，從而減輕旅途中的不適感[1]。噴嘴送風(fēng)溫度一般比艙內(nèi)溫度低5 ℃，送風(fēng)方向和風(fēng)速可由乘客自由調(diào)節(jié)。由于飛機(jī)座艙空間的限制，個(gè)人通風(fēng)噴嘴一般位于行李艙下方、人體頭頂上方，具體布置方式需要綜合考慮各方面因素。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者側(cè)重于艙內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)性能[2-4]、艙內(nèi)舒適性[5-8]、艙內(nèi)污染物控制研究[9-11]，對(duì)個(gè)人通風(fēng)的研究還較少。天津大學(xué)郭勇等[12]對(duì)MD-82客機(jī)上個(gè)性送風(fēng)出口的送風(fēng)氣流特征進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙噴嘴的氣流擴(kuò)散要強(qiáng)于噴嘴圓管射流，且湍流強(qiáng)度更大。Julia Winzen等[13]在多尼爾728的飛機(jī)模型艙內(nèi)營造了兩種艙內(nèi)溫度工況，研究了60名受試者的熱舒適感覺和個(gè)人喜好。結(jié)果表明，受試者對(duì)艙內(nèi)氣候參數(shù)的評(píng)估與個(gè)人喜好有重要的關(guān)系，尤其對(duì)熱和氣流的偏好，因此受試者對(duì)熱舒適的期望越高，艙內(nèi)微氣候就越不舒適，這從側(cè)面反映設(shè)置個(gè)人通風(fēng)系統(tǒng)是有必要的。在不同季節(jié)下測(cè)量了23個(gè)航班艙內(nèi)溫濕度，并開展了熱舒適性問卷調(diào)查。方趙嵩[14]發(fā)現(xiàn)，由于客艙內(nèi)明顯的悶熱，超過60%的乘客認(rèn)為需要設(shè)置個(gè)人送風(fēng)噴嘴，且多數(shù)乘客選擇部分開啟狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。王健等人[15]在重慶大學(xué)地面模擬艙內(nèi)進(jìn)行了真人實(shí)驗(yàn)，并對(duì)影響熱舒適的因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，噴嘴出口風(fēng)速和送風(fēng)角度會(huì)對(duì)乘客熱感覺產(chǎn)生顯著影響，而送風(fēng)溫差并不存在顯著影響。這是由于5 ℃以內(nèi)的非等溫送風(fēng)對(duì)人身體周圍部分的溫度場(chǎng)影響不顯著。

民用飛機(jī)客艙內(nèi)兩種行李箱構(gòu)型如圖1所示。下拉式行李箱可以增加艙內(nèi)乘客活動(dòng)空間，減少乘客壓抑感，但旅客服務(wù)單元（PSU）空間較小，個(gè)人通風(fēng)噴嘴布置較為困難。目前已有的文獻(xiàn)和研究都是基于上翻式行李箱的客艙構(gòu)型開展的，對(duì)下拉式行李箱構(gòu)型的個(gè)人通風(fēng)研究幾乎沒有涉及。文中基于選定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，運(yùn)用CFD仿真的方法對(duì)某型民用飛機(jī)客艙內(nèi)乘客頭部風(fēng)速和速度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，得到一種較合適的布置方式，為下拉式行李箱構(gòu)型的客艙個(gè)人同分噴嘴的設(shè)計(jì)提供了參考。

圖1 兩種不同行李箱構(gòu)型客艙內(nèi)通風(fēng)示意 Fig.1 Cabin ventilation diagram of two different trunk configurations: a) flip-up; b) pull-down

1 客艙個(gè)人通風(fēng)系統(tǒng)模型

1.1 CFD計(jì)算模型

對(duì)某型單通道民用飛機(jī)的單排人椅建立了仿真模型，+Y方向?yàn)檎较颍?X方向乘客編號(hào)依次為1—3， 如圖2所示。考慮到客艙的對(duì)稱性，對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，建立了右側(cè)客艙個(gè)人通風(fēng)計(jì)算模型，客艙通道對(duì)稱面假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)的空氣壁面，排風(fēng)隔柵位于右側(cè)艙壁踢腳板處，個(gè)人通風(fēng)噴嘴布置在PSU上。在不影響艙內(nèi)流場(chǎng)的情況下，對(duì)人體和座椅結(jié)構(gòu)做了一定簡(jiǎn)化，對(duì)棱角做了圓滑處理。網(wǎng)格劃分采用ICEM CFD中六面體和四面體結(jié)合的方法，并對(duì)噴嘴送風(fēng)、底部排風(fēng)區(qū)域進(jìn)行加密處理。

圖2 客艙個(gè)人通風(fēng)計(jì)算模型 Fig.2 Calculation model of cabin personal ventilation

1.2 數(shù)學(xué)控制方程

基于1.1節(jié)中的模型和假設(shè)，客艙內(nèi)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程[16]分別為：

式中：ui、uj為速度分量；ρ為密度；μ為黏性系數(shù)；T為時(shí)間量；Pr為普朗特?cái)?shù)；ST為合并后的源項(xiàng)；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σε是k方程和ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為自定義參數(shù)。

1.3 求解策略

基于上述數(shù)理模型，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程，能量方程不激活，壁面為靜態(tài)無滑移壁面，噴嘴為速度進(jìn)口，排風(fēng)隔柵為outflow。計(jì)算工具為ANSYS FLUENT 13，采用壓力和速度耦合的SIMPLE算法，壓力的離散選擇標(biāo)準(zhǔn)格式，其他參數(shù)的離散均選擇一階迎風(fēng)格式。由于沒有能量選項(xiàng)，計(jì)算過程選擇默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)，即所有變量（連續(xù)性、xyz速度、k、ε）殘差低于10-3。

2 仿真分析

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中對(duì)客艙的溫濕度、風(fēng)速、新風(fēng)量、污染物濃度等都有嚴(yán)格要求，但未對(duì)個(gè)人噴嘴送風(fēng)的設(shè)計(jì)參數(shù)作嚴(yán)格規(guī)定，一般只規(guī)定了噴嘴開啟情況下，人體就坐時(shí)頭部高度風(fēng)速應(yīng)達(dá)到的下限值。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[17-20]中對(duì)民用飛機(jī)客艙內(nèi)個(gè)人通風(fēng)的溫度、速度要求見表1。

表1 個(gè)人通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo) Tab.1 Design index of personal ventilation system

這些標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)都沒有對(duì)噴嘴送風(fēng)溫度作出要求，這是因?yàn)閲娮焐淞鞯奈闪飨禂?shù)較大，氣流從噴嘴出來后，很快便與周圍空氣充分混合，而且艙內(nèi)主通風(fēng)系統(tǒng)流量占主導(dǎo)，所以個(gè)人噴嘴幾乎沒有溫度調(diào)節(jié)能力。目前僅有文獻(xiàn)[1]提到為減輕乘客的悶熱感，個(gè)人送風(fēng)溫度需低于艙內(nèi)溫度5 ℃。

對(duì)于個(gè)人通風(fēng)的風(fēng)速，目前國內(nèi)還沒有明文規(guī)定。文中采用國外標(biāo)準(zhǔn)即個(gè)人通風(fēng)開啟時(shí)，人體坐著時(shí)頭部高度的風(fēng)速應(yīng)大于1 m/s。下文將以該指標(biāo)為判據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.2 分散布置方式

第一種方案為分散布置，如圖3所示。個(gè)人通風(fēng)噴嘴平均分布在PSU面板上，沿+Y方向的噴嘴按阿 拉伯?dāng)?shù)字順序編號(hào)1—3，噴嘴出風(fēng)口簡(jiǎn)化為直徑為30 mm的圓。

圖3 噴嘴分散布置 Fig.3 Nozzles of decentralized arrangement

模擬工況1：噴嘴出口方向和壁面垂直，出口速度為10~20 m/s中的6個(gè)值。選取三位乘客頭部上方20 mm處為觀察點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。隨噴嘴出流速度的增加，人體1—3頭部風(fēng)速總趨勢(shì)也隨之升高。在工況1送風(fēng)方式下，即使出口流速達(dá)到20 m/s，人體頭部最大風(fēng)速僅有0.39 m/s，只有很小的吹風(fēng)感，不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。最大出流速度時(shí)，3位乘客頭部中央?yún)^(qū)域的合速度場(chǎng)如圖5所示，可直觀看出噴嘴出流衰減極快，且3位乘客頭部區(qū)域基本“吹”不到風(fēng)。

圖4 工況1人體頭部高度處風(fēng)速 Fig.4 Wind speed at the head of condition 1

圖5 工況1乘客頭部中央?yún)^(qū)域合速度場(chǎng) Fig.5 Resultant velocity field in central area of passenger head of condition 1

個(gè)人通風(fēng)在實(shí)際使用時(shí)一般不會(huì)是垂直射流方式，乘客可以按需調(diào)節(jié)出流角度。模擬工況2：噴嘴出口1—3依次正對(duì)人體1—3頭頂，出口速度為10~20 m/s中的6個(gè)值，仍然選取3位乘客頭部上方20 mm處為觀察點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。坐在中間位置的乘客2調(diào)節(jié)噴嘴角度后，在出流速速度為14 m/s時(shí)，就可獲得大于1 m/s的頭部風(fēng)速，而坐在兩側(cè)的乘客，即使調(diào)節(jié)噴嘴直吹，仍然無法獲得1 m/s以上的風(fēng)速。噴嘴出口流速為20 m/s時(shí)，三位乘客頭部中央?yún)^(qū)域的合速度如圖7所示。

圖6 工況2人體頭部高度處風(fēng)速 Fig.6 Wind speed at the head of condition 2

圖7 工況2乘客頭部中央?yún)^(qū)域合速度場(chǎng) Fig.7 Resultant velocity field in central area of passenger head of condition 2

2.3 集中排列布置方式

2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于分散式的噴嘴布置方式，無論是垂直射流還是調(diào)整射流角度直吹，在最大出流速度20 m/s時(shí)，左右兩側(cè)乘客都無法獲得大于1 m/s的風(fēng)速。其根本原因?yàn)?，噴?至乘客1、噴嘴3至乘客3頭頂空間距離較遠(yuǎn)，氣流在到達(dá)時(shí)已充分衰減。為減小噴嘴出口至乘客頭頂?shù)目臻g距離，并考慮到PSU上其余系統(tǒng)（氧氣面罩、照明燈、揚(yáng)聲器等）的布置，將噴嘴集中排列在PSU面板上，如圖8所示。沿+X方向的噴嘴按阿拉伯?dāng)?shù)字順序編號(hào)1—3。

圖8 噴嘴集中排列布置 Fig.8 Nozzles of centralized arrangement

對(duì)于新構(gòu)型的仿真計(jì)算，同樣考慮兩種工況3和4：噴嘴出口速度為10~20 m/s，射流角度分別為垂直射流、噴嘴對(duì)乘客頭部直吹。工況3的計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10。類似于工況1，在不調(diào)整噴嘴角度時(shí)，只有中間乘客能獲得明顯的吹風(fēng)感，但仍未達(dá)到1 m/s，兩側(cè)乘客頭頂幾乎無氣流。

圖9 工況3人體頭部高度處風(fēng)速 Fig.9 Wind speed at the head of Condition 3

圖10 工況3乘客頭部中央?yún)^(qū)域合速度場(chǎng) Fig.10 Resultant velocity field in central area of passenger head of condition 3

工況4計(jì)算結(jié)果如圖11和圖12所示。中間位置乘客在噴嘴出流速度12 m/s時(shí)即可獲得大于1 m/s的風(fēng)速，乘客3在出流速度14 m/s時(shí)也能獲得滿足設(shè) 計(jì)指標(biāo)的風(fēng)速。乘客1則由于空間距離最遠(yuǎn)，其最大頭部風(fēng)速只能達(dá)到0.52 m/s。

圖11 工況4人體頭部高度處風(fēng)速 Fig.11 Wind speed at the head of condition 4

圖12 工況4乘客頭部中央?yún)^(qū)域合速度場(chǎng) Fig.12 Resultant velocity field in central area of passenger head of condition 4

考慮到乘客1與噴嘴的物理空間較遠(yuǎn)，需大幅增加噴嘴1的出口流速，才能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，而這將大幅增加個(gè)人通風(fēng)流量，減少主通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量。在個(gè)人通風(fēng)流量不變的前提下，將噴嘴開口面積減小，則可獲得更大的出口流速。將圓形噴嘴直徑縮小為20 mm，在工況4的基礎(chǔ)上計(jì)算工況5：噴嘴出口速度22.5~45 m/s，射流角度為噴嘴對(duì)乘客頭部直吹，計(jì)算結(jié)果如圖13—14所示。噴嘴出口流速22.5 m/s時(shí)，乘客2和3頭部處風(fēng)速已超過1 m/s；噴嘴出流速度達(dá)45 m/s時(shí)，乘客1頭部處風(fēng)速達(dá)1.09 m/s，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖13 工況5人體頭部高度處風(fēng)速 Fig.13 Wind speed at the head of condition 5

圖14 工況5乘客頭部中央?yún)^(qū)域合速度場(chǎng) Fig.14 Resultant velocity field in central area of passenger head of condition 5

從圖2的個(gè)人通風(fēng)計(jì)算模型可看出，客艙內(nèi)下拉式行李箱的設(shè)計(jì)導(dǎo)致PSU本身空間較小，且靠近右側(cè)艙壁，噴嘴集中排列布置的方案優(yōu)于分散布置。為滿足3名乘客的個(gè)人通風(fēng)需求，且不影響主通風(fēng)系統(tǒng)流量，噴嘴出口直徑可設(shè)計(jì)為20 mm。此時(shí)乘客1已將噴嘴流速調(diào)至最大。目前該方案已成功應(yīng)用于某型號(hào)民機(jī)客艙的個(gè)人通風(fēng)系統(tǒng)，如圖15和16所示。

圖15 帶下拉式行李箱的客艙 Fig.15 Cabin with pull-down trunk

圖16 集中排列布置的噴嘴 Fig.16 Nozzles of centralized arrangement

3 結(jié)論

文中對(duì)安裝了下拉式行李箱的民用飛機(jī)客艙進(jìn)行簡(jiǎn)化后，建立了k-ε計(jì)算模型，考察了兩種個(gè)人通風(fēng)噴嘴布置方式。根據(jù)所選的設(shè)計(jì)指標(biāo)，評(píng)價(jià)了兩種方案的優(yōu)劣，得到以下結(jié)論：

1）民用飛機(jī)客艙內(nèi)個(gè)人通風(fēng)系統(tǒng)采用國外標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)是可行的，即乘客就坐時(shí)頭部高度風(fēng)速需大于1 m/s。

2）對(duì)于直徑為30 mm的個(gè)人通風(fēng)圓形噴嘴，采用分散排列的布置方式，由于出風(fēng)口和頭部空間距離較遠(yuǎn)，兩側(cè)乘客無法獲得大于1 m/s的風(fēng)速。采用集中排列的布置方式，可以滿足乘客2和3的需求，但滿足不了乘客1的需求。在保證相同流量的前提下，將噴嘴直徑減小為20 mm，提高噴嘴出口流速，則3名乘客均能獲得符合指標(biāo)的風(fēng)速。

3）對(duì)于安裝了下拉式行李箱的客艙，集中排列布置的個(gè)人通風(fēng)噴嘴集是更有利的，該方案已運(yùn)用于某型民機(jī)。