陳希遠(yuǎn)，裴春波，楊建忠

1. 中國民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300 2. 中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海 201206

飛機(jī)座艙為半封閉且人員密集的狹小空間，艙內(nèi)乘客很可能通過呼吸、咳嗽等動作將病毒或細(xì)菌傳播至其他區(qū)域，從而對艙內(nèi)其他乘客的健康造成危害。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報告，在“非典”時期，飛機(jī)座艙已成為非典病毒傳播的一個主要載體，曾有數(shù)據(jù)表明，在一架滿載的飛機(jī)上，一名攜帶非典病毒的乘客僅在座位上通過呼吸感染了七排座椅之外的其他乘客。因此，適航規(guī)章CCAR25.831條款規(guī)定，飛機(jī)座艙內(nèi)必須保持足夠的新鮮空氣供給，從而使艙內(nèi)空氣品質(zhì)保持在可接受水平。然而，在飛機(jī)設(shè)計的過程中，增加新鮮空氣的供給意味著發(fā)動機(jī)最大推力的損失和能量的消耗，因此，如何在有限的新鮮空氣供給下，通過對座艙送風(fēng)方式進(jìn)行合理的優(yōu)化，從而控制艙內(nèi)污染物的傳播范圍并使之在最快時間內(nèi)排除，已成為現(xiàn)代大型客機(jī)座艙環(huán)境設(shè)計的關(guān)鍵。

近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究人員普遍采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)研究飛機(jī)座艙內(nèi)污染物傳播規(guī)，Gupta等采用CFD方法在一個滿艙的雙通道機(jī)艙中模擬了顆粒物的傳播，研究結(jié)果表明咳嗽出的飛沫主要隨著整體氣流運(yùn)動，30 s 內(nèi)飛沫主要在一排內(nèi)分布，4 min 內(nèi)逐漸均勻分布在整個機(jī)艙中；Yan等采用CO作為示蹤氣體用于模擬乘客呼吸產(chǎn)生的氣態(tài)污染物，利用數(shù)值模擬的方法計算艙內(nèi)污染物濃度分布，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明座艙內(nèi)送風(fēng)形式對污染物分布影響顯著； Li等采用CFD數(shù)值模擬分別計算了不同送風(fēng)形式下單通道客艙和雙通道寬體客艙內(nèi)CO分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)由于送風(fēng)形式會引起艙內(nèi)流場在不同位置出現(xiàn)渦，渦內(nèi)通風(fēng)速度較低并引起污染物聚積，容易導(dǎo)致一種特殊CO“鎖定”現(xiàn)象發(fā)生；Fiser和Jicha模擬了不同的送風(fēng)形式對于乘客呼吸區(qū)空氣齡的影響，認(rèn)為混合通風(fēng)在不同室外溫度下的綜合表現(xiàn)最好；Chen等建立了五排地面模擬實(shí)驗(yàn)艙，對比了3種送風(fēng)方式下座艙內(nèi)污染物的聚積和擴(kuò)散特性，不同送風(fēng)方式下污染物傳播規(guī)律差異顯著，其中混合送風(fēng)更有利于污染物的擴(kuò)散，而天花板送風(fēng)更容易造成污染物的聚積；Li等研究了不同渦結(jié)構(gòu)下的氣態(tài)污染物傳播規(guī)律，研究結(jié)果表明客艙內(nèi)流場結(jié)果呈現(xiàn)出多樣性，在處在這種復(fù)雜的空間內(nèi)，污染源位置的微小差異(10 cm)即可導(dǎo)致污染物濃度場分布迥異。

然而，在以上研究中，均是在穩(wěn)態(tài)計算的前提下研究艙內(nèi)污染物傳播規(guī)律，然而真實(shí)的座艙內(nèi)流場是一個低雷諾數(shù)、高湍流度的非定常流場，Garner等采用三維超聲波風(fēng)速儀對飛機(jī)艙內(nèi)速度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)座艙內(nèi)風(fēng)速具有強(qiáng)烈的非定常特性；Bianco和Ebrahimi等通過瞬態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，對于機(jī)艙側(cè)送風(fēng)的情況，兩側(cè)射流交替占主導(dǎo)作用，整個流場在時間和空間上都存在震蕩，污染物在這種不穩(wěn)定流場中傳播，會導(dǎo)致艙內(nèi)乘客的暴露風(fēng)險的評價更為復(fù)雜；Yang等通過大渦模擬(Large Eddy Simulation,LES)的方法，揭示了在飛機(jī)座艙過道區(qū)域，由于來自艙內(nèi)兩側(cè)艙壁送風(fēng)口的射流在過道區(qū)域碰撞，使得過道區(qū)域的流場具有強(qiáng)烈的非定常特性，來自艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在過道區(qū)域交替“占上風(fēng)”，并形成了一種準(zhǔn)周期的左右擺動運(yùn)動，如此非定常的氣流場勢必會對艙內(nèi)污染物的傳播造成顯著影響。

綜上，相關(guān)研究人員在采用CFD數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)對飛機(jī)座艙內(nèi)污染物傳播規(guī)律進(jìn)行研究時，大多是在穩(wěn)態(tài)流場的前提下研究座艙內(nèi)污染物的傳播規(guī)律，而忽略了座艙內(nèi)流場非定常特性，在少量的文獻(xiàn)中雖揭示了座艙內(nèi)流場的非定常脈動特性，但并未定量地研究艙內(nèi)流場的非定常特性對污染物傳播的影響，尤其是對于不同送風(fēng)方式下污染物非穩(wěn)態(tài)傳播的研究。綜上，本文利用等比例地面模擬實(shí)驗(yàn)艙，在兩種送風(fēng)方式下進(jìn)行速度場測量(Particle Image Velocity,PIV)實(shí)驗(yàn)，通過對測量的流場進(jìn)行速度本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)，獲取艙內(nèi)非定常流場信息，并建立對應(yīng)的模擬艙非定常數(shù)值模型，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證模型的正確性，隨后，在數(shù)值模型中注入污染物并進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算，通過對比混合送風(fēng)、天花板送風(fēng)兩種送風(fēng)方式下污染物傳播路徑，得出送風(fēng)方式對污染物非穩(wěn)態(tài)傳播的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而為大型客機(jī)座艙內(nèi)空氣分配系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 地面模擬艙非定常流場測量實(shí)驗(yàn)

1.1 模擬艙中央過道區(qū)域速度場PIV測量

實(shí)驗(yàn)在等比例地面模擬實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行，如圖1所示，模擬艙實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照B737-200型號飛機(jī)座艙進(jìn)行等比例搭建，模擬艙幾何尺寸為4.8 m×3.8 m×2.1 m(長×寬×高)，每排座椅設(shè)有6個座位，根據(jù)B737-200型號飛機(jī)座艙送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計，模擬艙設(shè)置了天花板送風(fēng)、混合送風(fēng)兩種可供切換的送風(fēng)方式，此外，模擬艙還能實(shí)現(xiàn)對送風(fēng)流量、送風(fēng)溫度等參數(shù)的調(diào)節(jié)。在模擬艙內(nèi)，送風(fēng)口均為條縫形狀，當(dāng)處于天花板送風(fēng)時，僅由位于天花板的送風(fēng)口向模擬艙供氣，兩個天花板送風(fēng)口沿模擬艙頂棚中線對稱設(shè)置，兩股氣流分別從兩個天花板送風(fēng)口送出后以相反方向流動；當(dāng)處于混合送風(fēng)時，由位于天花板的送風(fēng)口和側(cè)壁的送風(fēng)口同時向模擬艙供氣，位于側(cè)壁的兩個送風(fēng)口對稱分布在模擬艙兩側(cè)行李架下方，來自側(cè)壁送風(fēng)口的氣流自送風(fēng)口送出后先達(dá)到行李架底部形成沖擊射流，隨后沿行李架下方運(yùn)動。兩種送風(fēng)方式下保證供氣總量相等。模擬艙具體工作原理見文獻(xiàn)[17]。實(shí)驗(yàn)過程中，分別將模擬艙送風(fēng)方式設(shè)為天花板送風(fēng)和混合送風(fēng)。根據(jù)國內(nèi)運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25.831條款中規(guī)定，飛機(jī)座艙為艙內(nèi)乘客提供的新鮮空氣量不得小于每人0.55 lb/min,而適航標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值是考慮到所有極端工況時給出的最低要求，飛機(jī)正常運(yùn)行時座艙內(nèi)新鮮空氣量要遠(yuǎn)高于此數(shù)值。因此，實(shí)驗(yàn)中假設(shè)模擬艙按照3倍適航標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的通風(fēng)量送風(fēng)，即保持模擬艙內(nèi)送風(fēng)量為恒定值1 050±30 m/h。

圖1 等比例5排模擬實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)Fig.1 Five-row full-scale cabin mock-up experimental system

PIV速度場測量技術(shù)能夠?qū)Υ笠晥鰞?nèi)的速度場進(jìn)行整場測量，已被較為成熟地應(yīng)用于飛機(jī)座艙內(nèi)流場的研究。實(shí)驗(yàn)中的PIV測量系統(tǒng)由Vlite-380雙脈沖激光器、CCD相機(jī)、同步器和示蹤粒子發(fā)生器組成。其中激光器最大脈沖激光能量為380 mJ，波長為532 nm，采用三維坐標(biāo)支架調(diào)節(jié)激光器片光源照亮被測區(qū)域。CCD相機(jī)置于模擬艙內(nèi)部，型號為TSI PowerView Plus 630093，相機(jī)分辨率為4 920 pixel×3 288 pixel，相機(jī)通過采集很短跨幀時間內(nèi)兩幀激光器片光源照亮的模擬艙內(nèi)被測區(qū)域示蹤粒子圖像，并通過其自帶的分析軟件INSIGHT 4G對兩幀粒子圖像進(jìn)行分析計算，獲得相應(yīng)的瞬態(tài)速度場。同步器為TSI公司的LaserPulse系列，負(fù)責(zé)控制激光器脈沖發(fā)射和CCD相機(jī)采集圖像同步進(jìn)行。在示蹤粒子發(fā)生器中，乙二醇溶液被加熱至一定溫度后噴出，形成平均粒徑為0.3 μm的示蹤粒子，為保證示蹤粒子與送入座艙的空氣充分混合，在送風(fēng)管道起始端注入示蹤粒子，如圖2所示。

圖2 PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 PIV experiment system

文獻(xiàn)[15]表明，由于來自座艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在過道區(qū)域碰撞并匯集，氣流在此處形成一種左右擺動的準(zhǔn)周期運(yùn)動，這樣強(qiáng)烈的非定常特性可能會對污染物的傳播造成顯著的影響，因此，實(shí)驗(yàn)中選取模擬艙中間過道區(qū)域進(jìn)行PIV測量，由圖3中綠色區(qū)域所示，拍攝區(qū)域面積為0.95 m×0.6 m。為持續(xù)記錄模擬艙中間過道區(qū)域氣流的非定常運(yùn)動，將PIV的采樣頻率設(shè)為3 Hz，分別在兩種送風(fēng)方式下記錄5 min內(nèi)的過道區(qū)域速度場，5 min內(nèi)共計采集900幅樣本。

圖3 PIV速度場測量實(shí)驗(yàn)中模擬艙中央過道測量區(qū)域Fig.3 Middle aisle area of cabin mock-up in PIV velocity field measurement experiment

1.2 模擬艙中央過道區(qū)域速度場POD分解

為深入研究湍流的非定常瞬態(tài)特征，POD本征正交分解逐漸被引入湍流的研究，其本質(zhì)是將非線性的湍流速度場分解為若干個POD模態(tài)與其對應(yīng)系數(shù)乘積的加和，每個POD模態(tài)之間相互正交，且代表不同的能量大小，按照能量從大到小的順序?qū)OD模態(tài)進(jìn)行依次排列，就可將湍流流場分解為包含不同能量模態(tài)的線性加和，且越靠前的模態(tài)包含的能量越高，可視為湍流中主導(dǎo)結(jié)構(gòu)，越靠后的模態(tài)包含的能量越小，可視為隨機(jī)脈動。

由于飛機(jī)座艙內(nèi)中央過道區(qū)域?yàn)楦咄牧鞫鹊姆嵌ǔＡ鲌?，在完成對該區(qū)域瞬時速度場進(jìn)行PIV測量后，本文采用POD分析，分別對兩種送風(fēng)方式下模擬艙中央過道區(qū)域速度場進(jìn)行POD分解，即可得到不同送風(fēng)方式下過道區(qū)域能量衰減規(guī)律，并結(jié)合不同送風(fēng)方式下污染物傳播路徑進(jìn)行分析，從而探索送風(fēng)方式對污染物非穩(wěn)態(tài)傳播的影響機(jī)理。

根據(jù)PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果的POD分析采用主流的“快照法(Snapshot)”進(jìn)行，將每一幅PIV瞬時速度場作為一幅獨(dú)立的流場快照，首先對采樣時間內(nèi)的全部n幅快照進(jìn)行時均處理，作為POD分析的第0模態(tài)，隨后將每幅快照分別減去第0模態(tài)，得到與之對應(yīng)的速度脈動向量為

(1)

在式(1)中，將每一幅流場快照中各點(diǎn)速度與第0模態(tài)中對應(yīng)點(diǎn)速度作差，得到的向量為(，)，向量中下標(biāo)編號自1開始直到結(jié)束，為快照中包含測點(diǎn)的總數(shù)，下標(biāo)自1開始直到結(jié)束，為快照的樣本總數(shù)。在矩陣中，每一列元素代表一幅快照中包含的所有測點(diǎn)速度值，而每一行元素代表某一固定測點(diǎn)處對應(yīng)的所有快照樣本中的速度值。

通過式(1)，構(gòu)造協(xié)方差矩陣為

=

(2)

在此基礎(chǔ)上，通過求解式(3)中的特征值與特征向量，其中與分別代表特征值與特征向量，并將特征值按照從大到小的順序排列，即>>…>=0。

=

(3)

在完成對式(3)中特征值和特征向量的求解后，即可得到流場POD模態(tài):

(4)

在得到流場每一個POD模態(tài)后，即可對PIV測量區(qū)域氣流場進(jìn)行線性重構(gòu)，其中，最大特征值對應(yīng)的POD模態(tài)為包含能量最大的模態(tài)，即為流場的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模型建立

為研究座艙送風(fēng)方式對污染物非穩(wěn)態(tài)傳播的影響，本文建立模擬艙污染物非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，對模擬艙中央過道區(qū)域內(nèi)流場的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行POD分解，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性，隨后在CFD模型中注入污染物，通過仿真對比不同送風(fēng)方式下污染物傳播路徑，并結(jié)合艙內(nèi)非定常流場分析結(jié)果，得到不同送風(fēng)方式下艙內(nèi)非定常流場對污染物傳播的影響機(jī)理，從而對艙內(nèi)送風(fēng)方式設(shè)計優(yōu)化提供指導(dǎo)。

按照地面模擬實(shí)驗(yàn)艙幾何尺寸建立座艙幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后選取450萬網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在Fluent中將艙內(nèi)送風(fēng)口設(shè)為速度入口(Velocity Inlet)，將出風(fēng)口設(shè)為壓力出口(Pressure Outlet)。CFD模型邊界條件完全按照模擬艙邊界條件建立，在模擬艙內(nèi)采用二維熱線風(fēng)速儀測量模擬艙出風(fēng)口風(fēng)速和溫度，持續(xù)測量10 min并取平均值作為CFD數(shù)值模型邊界條件，在不同送風(fēng)方式下保證艙內(nèi)空氣供給量為恒定值1 050±30 m/h，模型中將艙內(nèi)初始溫度和送風(fēng)溫度設(shè)為25 ℃，兩種送風(fēng)方式下各送風(fēng)口速度見表1。

圖4 座艙污染物擴(kuò)散數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation of numerical model of cabin mock-up contaminant transport

表1 混合送風(fēng)、天花板送風(fēng)速度

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，采用大渦模擬LES Wale流模型模擬艙內(nèi)瞬態(tài)速度場，時間步長為0.01 s，1.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)中對應(yīng)的中央過道區(qū)域速度場模擬結(jié)果進(jìn)行POD分解并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證模型的正確性。

艙內(nèi)乘客打噴嚏、咳嗽帶出的污染物呈液滴狀，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，其粒徑范圍約在5～10 μm之間，液滴在空氣中的沉降速度可以忽略不計，意味空氣對液滴的曳力將遠(yuǎn)大于液滴自身重力，液滴更容易隨空氣傳播。因此，在模型中采用Fluent中的離散相模型(Dispersed Phase Model, DPM)模擬污染物，將污染物設(shè)為液滴，直徑設(shè)為固定值5 μm，污染物由距離乘客頭部50 cm的呼吸區(qū)域釋放，釋放位置為靠近過道座位乘客呼吸區(qū)域。

由于艙內(nèi)流場的非定常特性，不同時間段內(nèi)流場中污染物的傳播軌跡也會不同，為對比不同送風(fēng)方式對污染物的傳播軌跡的影響，本文首先對比了粒子釋放頻率對污染物傳播軌跡的影響，如圖5所示，通過計算不同污染物粒子釋放頻率下(1、3、5、7、9 s)污染物穿越過道傳播至過道另一側(cè)所占比例，發(fā)現(xiàn)無論是天花板送風(fēng)還是混合送風(fēng)，當(dāng)粒子釋放頻率達(dá)到5 s時，穿越過道傳播至另一側(cè)的污染物粒子數(shù)在總粒子數(shù)中所占比例基本不再隨著粒子釋放頻率的增加而增加，因此，在模型中設(shè)置每次仿真計算中共釋放200個離散項液滴顆粒，每秒釋放5個顆粒，整個釋放過程持續(xù)40 s，粒子釋放初速度為1 m/s。計算完成后，采用后處理軟件計算所有顆粒的傳播軌跡(Streak Lines)，并將計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，分析得到不同送風(fēng)方式對污染物非穩(wěn)態(tài)傳播的影響，每個顆粒運(yùn)動軌跡的計算公式為

(5)

圖5 不同污染物粒子釋放頻率下污染物粒子穿越過道占比Fig.5 Ratio of pollutant particles crossing aisle at different particle release frequencies

式中:為時間;()代表位移向量;((),)代表速度向量。

3 模擬艙非定常流場特性

座艙內(nèi)的空氣是污染物傳播的媒介，只有實(shí)現(xiàn)對座艙內(nèi)空氣非定常流動的準(zhǔn)確預(yù)測，才能準(zhǔn)確模擬污染物的非穩(wěn)態(tài)傳播規(guī)律。為驗(yàn)證CFD模型正確性，將實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真中座艙中央過道區(qū)域速度場進(jìn)行POD分解，從而驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性。兩種送風(fēng)方式下座艙中央過道區(qū)域速度場的POD分解結(jié)果如圖6所示，圖中橫軸為模態(tài)階數(shù)，縱軸為座艙中央過道區(qū)域速度場隨模態(tài)階數(shù)增加對應(yīng)的能量累積值比例，曲線斜率越大，意味著流場中低階模態(tài)所包含能量越大，當(dāng)模態(tài)階數(shù)達(dá)到50階時，兩種送風(fēng)方式的流場能量均已接近100%，表明前50階模態(tài)足以反映全部的流場信息，更高階數(shù)的流場模態(tài)包含的能量極小，可以忽略不計。

從圖6中可以看出，兩種送風(fēng)方式下模擬艙中央過道區(qū)域速度場實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真的POD分解結(jié)果吻合良好，表明采用LES湍流模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測座艙內(nèi)氣流的非定流動，從而驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。其次，通過對比兩種送風(fēng)方式下座艙中央過道區(qū)域速度場POD分解結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著POD模態(tài)階數(shù)增加，混合送風(fēng)能量累積速度(圖6中藍(lán)線)快于天花板送風(fēng)(圖6中紅線)，在混合送風(fēng)方式下，前10階模態(tài)包含了60%的能量，而在天花板送風(fēng)下，前10階模態(tài)僅包含了40%的能量，表明在混合送風(fēng)方式下來自艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域沖撞形成的非定常流場中，低階模態(tài)所包含的能量高于天花板送風(fēng)。

圖6 天花板送風(fēng)、混合送風(fēng)下模擬艙中央過道區(qū)域流場POD分解結(jié)果Fig.6 POD decomposing results of velocity field of middle aisle area in cabin mock-up under ceiling and mixed air supply modes

混合送風(fēng)和天花板送風(fēng)方式下模擬艙中央過道區(qū)域流場POD分解結(jié)果如圖7和圖8所示。從圖中可以看出，在兩種送風(fēng)方式下，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，POD重構(gòu)的流場均呈現(xiàn)出從“規(guī)則有序”到“紊亂無序”的變化規(guī)律，這是因?yàn)楦鶕?jù)POD流場分解理論(1.2節(jié))，低階模態(tài)反映流場中包含能量大的主要結(jié)構(gòu)，而高階模態(tài)反映流場中包含能量小的小尺度結(jié)構(gòu)。

從圖7中混合送風(fēng)方式下1階模態(tài)(圖7(a))和2階模態(tài)(圖7(b))均可以明顯發(fā)現(xiàn)來自模擬艙兩側(cè)的送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域相向運(yùn)動并碰撞，形成左右擺動，意味這在混合送風(fēng)方

圖7 混合送風(fēng)方式下模擬艙中央過道區(qū)域的POD模態(tài)Fig.7 POD mode of central area of cabin mock-up under mixed air supply mode

圖8 天花板送風(fēng)方式下模擬艙中央過道區(qū)域的POD模態(tài)Fig.8 POD mode of central area of cabin mock-up under ceiling air supply pattern

式中，來自兩側(cè)送風(fēng)口并在中央過道區(qū)域碰撞的氣流包含的能量較高，為流場主導(dǎo)結(jié)構(gòu)；而隨著模態(tài)階數(shù)的增加，高階流場呈現(xiàn)出“紊亂無序”特征(圖7(c))，表明流場中小尺度所包含能量較低。

在天花板送風(fēng)方式下，含能量較高的低階模態(tài)同樣表現(xiàn)出較規(guī)則的流動特征(圖8(a)、圖8(b))，來自天花板送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域匯合，形成了明顯的豎直向上的運(yùn)動規(guī)律，在氣流匯合的過程中伴隨著碰撞，致使低階模態(tài)流場中存在輕微左右擺動；而在含能量較低的高階模態(tài)，流場同樣呈現(xiàn)出明顯的“紊亂無序”特征。

綜合分析圖6～圖8可以得出，在兩種送風(fēng)方式下，在模擬艙中央過道區(qū)域匯集并碰撞的氣流為包含能量較多的流場主導(dǎo)結(jié)構(gòu)(低階模態(tài))，因此，流場低階模態(tài)包含能量的大小在一定程度上決定了流場的非定常特性。根據(jù)圖6結(jié)果，混合送風(fēng)方式下流場能量累積速度快于天花板送風(fēng)，表明混合送風(fēng)方式的流場低階模態(tài)所包含的能量高于天花板送風(fēng)，意味這在混合送風(fēng)方式下中央過道區(qū)域氣流匯集碰撞的非定常特性更為顯著，這可能導(dǎo)致當(dāng)過道的一側(cè)存在污染源時，污染物通過非定常擺動的氣流穿越過道到達(dá)過道另一側(cè)的可能性較大。相比之下，天花板送風(fēng)方式下，低階模態(tài)流場包含能量小于混合送風(fēng)，表明來自艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域形成的左右非定常擺動效應(yīng)較弱，在過道一側(cè)的污染物穿越過道傳播至另一側(cè)的可能性較低。

圖9以混合送風(fēng)為例，選取了不同時刻座艙橫截面速度場仿真結(jié)果。從圖中可以看出，不同時刻下座艙內(nèi)速度場呈現(xiàn)完全不同的形態(tài)，以=87 s時刻為例，來自艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域碰撞后，右側(cè)的氣流暫時“占上風(fēng)”，左側(cè)的氣流受到擠壓后向天花板方向運(yùn)動，右側(cè)氣流有穿越中央過道區(qū)域進(jìn)入左半艙的趨勢；而在=103 s時刻，來自艙內(nèi)兩側(cè)的氣流在中央過道區(qū)域呈現(xiàn)較為平衡的對稱狀態(tài)；在=124 s 時刻，左側(cè)的氣流又占據(jù)“上風(fēng)”，右側(cè)的氣流受到擠壓后向天花板方向運(yùn)動，左側(cè)氣流有穿越中央過道區(qū)域進(jìn)入右半艙的趨勢。圖9不同時刻座艙內(nèi)速度場顯示出了明顯的非定常特性，來自艙內(nèi)兩側(cè)的氣流在中央過道區(qū)域沖撞形成了非定常左右擺動會使在過道一側(cè)的污染物傳播至另一側(cè)。

圖9 混合送風(fēng)方式下不同時刻模擬艙內(nèi)流場仿真結(jié)果Fig.9 Velocity field simulation results of cabin mock-up under mixed air supply mode at different time

圖10為天花板送風(fēng)方式下不同時刻模擬艙內(nèi)速度場。從圖中可以看出，在不同時刻艙內(nèi)速度場同樣呈現(xiàn)出明顯的非定常特性，自天花板送風(fēng)口送出的氣流受科恩達(dá)效應(yīng)影響，沿模擬艙壁面運(yùn)動至艙底部，隨后在過道中央處匯合，并隨時間形成了“左右擺動”的非定常運(yùn)動。然而，與混合送風(fēng)方式下模擬艙內(nèi)流場對比發(fā)現(xiàn)，天花板送風(fēng)方式下艙內(nèi)中央過道區(qū)域流場的非定常效應(yīng)弱于混合送風(fēng)方式，這是因?yàn)樵谔旎ò逅惋L(fēng)方式下，氣流從送風(fēng)口送出后需運(yùn)動較長的距離才能到達(dá)

圖10 天花板送風(fēng)方式下不同時刻模擬艙內(nèi)流場仿真結(jié)果Fig.10 Velocity field simulation results of cabin mock-up under ceiling air supply mode at different time

中央過道區(qū)域，在運(yùn)動過程中由于能量的耗散，導(dǎo)致兩側(cè)氣流在中央過道區(qū)域碰撞的劇烈程度弱于混合送風(fēng)，該結(jié)果與流場POD分解結(jié)果相符。通過對比兩種不同送風(fēng)方式下模擬艙流場POD分解結(jié)果和速度場可以猜測，由于混合送風(fēng)方式下艙內(nèi)中央過道區(qū)域流場非定常特性強(qiáng)于天花板送風(fēng)，可能會造成污染物的擴(kuò)散具有更大的隨機(jī)性，導(dǎo)致污染物的擴(kuò)散范圍更大。

4 污染物傳播仿真結(jié)果

在對兩種送風(fēng)方式下污染物顆粒傳播軌跡進(jìn)行瞬態(tài)計算后，通過分析每個污染物顆粒運(yùn)動軌跡可得：在兩種送風(fēng)方式下，由于座艙內(nèi)流場的非定常特性，使得每個污染物顆粒的傳播軌跡呈現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性和差異性，本文將污染物傳播軌跡分為五種類型，如圖11中所示，分別命名為A型～E型。在5種傳播軌跡類型中，A型和B型中污染物顆粒并沒有傳播至座艙內(nèi)過道另一側(cè)區(qū)域，僅在單側(cè)區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散，而在剩余3種傳播軌跡類型(C型～E型)中，過道一側(cè)的污染物均通過中央過道區(qū)域的非定常擺動流場傳播至過道另一側(cè)，這意味著如果在艙內(nèi)存在帶有病菌的乘客，則帶有病菌的飛沫將有可能傳播至過道另一側(cè)的乘客，從而造成感染。將5種污染物傳播軌跡進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，A型軌跡是較為理想的類型，污染物從污染源產(chǎn)生后直接由距離其最近的排風(fēng)口排出，造成其他座位處乘客感染的可能性最低；在B型軌跡中，污染物受到送風(fēng)口氣流在座位處形成的渦的作用在單側(cè)座位區(qū)傳播擴(kuò)散，可能會造成中間座位及靠窗邊座位處的乘客感染； C型～E型軌跡的存在印證了第3節(jié)中的結(jié)果，即由于來自艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域碰撞，在能量消耗的過程中形成了具有非定常特性的速度場，使得左右兩側(cè)的氣流交替擠壓并左右擺動，造成在過道一側(cè)的污染物隨著中央過道區(qū)域氣流的非定常擺動擴(kuò)散至過道另一側(cè)，增大了污染物傳播的范圍，使得艙內(nèi)其他位置乘客的感染風(fēng)險升高。

在分析得到5種污染物傳播軌跡類型的基礎(chǔ)上，對兩種送風(fēng)方式下不同類型污染物傳播軌跡所占的比例進(jìn)行了統(tǒng)計和對比，對比結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出，在混合送風(fēng)方式下C～E型污染物傳播軌跡所占的比例高于天花板送風(fēng)，達(dá)到了63.5%，這意味著在混合送風(fēng)方式下，在過道一側(cè)的污染物穿越過道傳播至另一側(cè)的概率高于天花板送風(fēng)，其中E型的傳播軌跡占比達(dá)到了31.5%，在該類型傳播軌跡中，污染物通過中央過道區(qū)域氣流的非定常擺動，兩次穿越中央過道，其傳播軌跡長度最長，使得艙內(nèi)其他乘客受到感染的風(fēng)險大幅增加。究其本質(zhì)原因，正是因?yàn)樵诘?節(jié)中對兩種送風(fēng)方式下中央過道區(qū)域速度場進(jìn)行POD分解結(jié)果中，混合送風(fēng)方式低階模態(tài)流場包含能量更大，導(dǎo)致中央過道區(qū)域速度場非定常擺動特征比天花板送風(fēng)更為明顯。以上結(jié)果表明，來自座艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域碰撞形成的非定常擺動流場，造成了在過道一側(cè)的污染物穿越過道傳播至另一側(cè)，增大了其他乘客的感染風(fēng)險，且來自艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域碰撞越激烈(流場低階模態(tài)包含能量越大)，該區(qū)域流場的非定常擺動特征越明顯，污染物穿越過道傳播至另一側(cè)的可能性越大。在飛機(jī)座艙內(nèi)氣流組織的設(shè)計中，為有效縮短污染物的傳播路徑，應(yīng)盡可能減小艙內(nèi)兩側(cè)送風(fēng)口氣流在中央過道區(qū)域的碰撞，從而削弱中央過道區(qū)域速度場的非定常特征。

圖11 兩種送風(fēng)方式下污染物傳播軌跡的物種類型Fig.11 Species types of pollutant trajectories under two air supply modes

圖12 天花板送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下不同類型污染物傳播軌跡所占比例Fig.12 Proportion of different types of pollutant propagation trajectory under ceiling and mixed air supply modes

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證驗(yàn)證仿真結(jié)果，在模擬艙內(nèi)采用六氟化硫(SF)氣體作為示蹤氣體模擬污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，由于仿真中將污染物粒徑設(shè)置為5 μm，在該粒徑下，液滴由于重力作用的沉降速度可以忽略。因此，實(shí)驗(yàn)中采用示蹤氣體模擬污染物，從而對仿真中離散相污染物的擴(kuò)散情況進(jìn)行驗(yàn)證。

為對比兩種不同送風(fēng)方式下的污染物擴(kuò)散情況，在天花板送風(fēng)和混合送風(fēng)下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。兩組實(shí)驗(yàn)中均將示蹤氣體發(fā)生裝置其放置于模擬艙第3排靠近過道的座位上(圖13中3C位置)，持續(xù)釋放SF氣體10 min，并通過紅外光聲氣體檢測儀(型號為Inova 1412)對模擬艙第3排6個位置的SF濃度進(jìn)行測量，用來反映污染物在模擬艙內(nèi)的傳播擴(kuò)散情況，此外，在模擬艙兩側(cè)底部排風(fēng)口對應(yīng)的兩個排風(fēng)管道中分別布置兩個測量點(diǎn)，用來反映污染物的排出路徑。為保證結(jié)果準(zhǔn)確性，共進(jìn)行5次獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)并取平均值，每次測量持續(xù)10 min,實(shí)驗(yàn)中模擬艙及排風(fēng)管道布局如圖13所示。

圖13 模擬艙內(nèi)SF6釋放位置及監(jiān)測位置示意圖(俯視圖)Fig.13 Schematic diagram of SF6 release position and monitoring position in cabin mock-up (top view)

將實(shí)驗(yàn)中測量的SF氣體濃度進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖14所示，可以看出，在混合送風(fēng)方式下，3D、3E、3F這3個位置的SF濃度明顯高于天花板送風(fēng)方式下同樣3個位置的SF濃度。這樣的結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，和天花板送風(fēng)相比，混合送風(fēng)方式下模擬艙中央過道區(qū)域的流場非定常特性更為顯著，從而引發(fā)了該處氣流更為劇烈的左右擺動現(xiàn)象，使得污染物(SF氣體)穿越過道傳播至另一側(cè)的概率明顯增大。此外，從圖14中還可以發(fā)現(xiàn)，在天花板送風(fēng)方式下，模擬艙左側(cè)排風(fēng)管道(LD)SF濃度高于混合送風(fēng)，而右側(cè)排風(fēng)管道(RD)中SF濃度低于混合送風(fēng)，表明在天花板送風(fēng)方式下，更多的污染物通過模擬艙底部左側(cè)排風(fēng)口排出，而并沒有穿越過道，污染物穿越過道區(qū)域擴(kuò)散至另一側(cè)并從過道另一側(cè)排風(fēng)口排出的概率低于混合送風(fēng)，仿真結(jié)果的正確性得到了驗(yàn)證。

圖14 模擬艙不同監(jiān)測位置處SF6濃度值Fig.14 SF6 concentration values at different monitoring positions in cabin mock-up

6 結(jié) 論

1) 通過對兩種送風(fēng)方式下座艙中央過道區(qū)域流場進(jìn)行POD分解，得到了混合送風(fēng)、天花板種送風(fēng)方式下該流場區(qū)域的非定常特性，并在此基礎(chǔ)上對比了兩種送風(fēng)方式下的污染物非穩(wěn)態(tài)傳播規(guī)律，可以為飛機(jī)座艙內(nèi)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供指導(dǎo)。

2) 就座艙中央過道區(qū)域流場的非定常特性而言，相比于天花板送風(fēng)，混合送風(fēng)方式下該區(qū)域的非定常特性更顯著，來自艙內(nèi)左右兩側(cè)送風(fēng)口的氣流在中央過道區(qū)域碰撞更劇烈，這樣的非定常特性使得來自艙內(nèi)兩側(cè)的氣流在中央過道區(qū)域交替互相擠壓并左右擺動，使得在過道一側(cè)污染物穿越過道傳播至過道另一側(cè)的概率高于天花板送風(fēng)方式。相比之下，天花板送風(fēng)方式下艙內(nèi)中央過道區(qū)域流場表現(xiàn)出的非定常特性弱于混合送風(fēng)，因此，在天花板送風(fēng)方式下，在過道一側(cè)的污染物穿越過道區(qū)域傳播至過道另一側(cè)的概率較低。

3) 混合送風(fēng)會使艙內(nèi)污染物傳播范圍變大，增加艙內(nèi)乘客感染的風(fēng)險;相反，天花板送風(fēng)時艙內(nèi)污染物傳播范圍較小，乘客受到感染風(fēng)險較低。