郝貴和，梁小貝

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300300）

飛機客艙與登機廊橋內(nèi)熱舒適性數(shù)值模擬分析

郝貴和，梁小貝

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300300）

飛機?？空緯r，需要橋載空調(diào)來維持飛機客艙和廊橋內(nèi)部的熱舒適性，合理的橋載空調(diào)控制既能保證要求的舒適程度，又可實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。為此對飛機客艙與登機廊橋環(huán)境進行數(shù)值模擬（CFD），分析其溫度場和速度場，應(yīng)用兩者內(nèi)部的空氣分布特性和溫度、風(fēng)速的不均勻系數(shù)作為熱舒適性評價指標(biāo)，研究橋載空調(diào)送風(fēng)速度與飛機客艙和廊橋內(nèi)部熱舒適性的關(guān)系。研究顯示只有當(dāng)送風(fēng)速度選取適當(dāng)才能保證空氣分布特性指標(biāo)（ADPI）取得最大值，在最佳送風(fēng)速度時，不同的氣流組織形式對熱舒適性的影響不同，均勻的送風(fēng)模式能更好地滿足人們對熱舒適性的要求。CFD研究得到的橋載空調(diào)送風(fēng)速度及送風(fēng)模式與熱舒適性的關(guān)系，可為橋載空調(diào)的合理控制提供依據(jù)。

登機廊橋；橋載空調(diào)；熱舒適性；CFD；氣流組織

機載輔助動力源（APU，auxiliary power units）可為飛機機載電器、機載空調(diào)及其它設(shè)備提供電源[1]，但因其運行造成嚴重污染，國內(nèi)越來越多的機場在飛機?？空緯r，選擇使用地面電源和橋載空調(diào)代替APU與機載空調(diào)[2]，以達到節(jié)能減排的目的。然而在使用橋載空調(diào)代替機載空調(diào)時，由于無法使用飛機客艙環(huán)境控制系統(tǒng)，所以需要設(shè)計橋載空調(diào)控制系統(tǒng)，以滿足客艙中乘客對熱舒適性的要求，同時滿足橋載空調(diào)節(jié)約能耗的目的。另外，還需要研究廊橋內(nèi)部氣流組織形式對熱舒適性的影響，得到最佳的送風(fēng)模式。

國內(nèi)外有很多學(xué)者研究客艙或高大空間舒適性方面的問題，這和客艙與廊橋內(nèi)的熱舒適性問題有相似之處。如應(yīng)用CFD（computational fluid dynamics）技術(shù)對某數(shù)據(jù)中心機房的空調(diào)方式、氣流組織、新風(fēng)系統(tǒng)等進行數(shù)值模擬，仿真結(jié)果驗證了氣流組織設(shè)計的有效性[3-4]，這一關(guān)于室內(nèi)環(huán)境的研究對本課題具有借鑒意義。近幾年也有很多關(guān)于飛機客艙環(huán)境控制的研究，文獻[5]應(yīng)用CFD技術(shù)研究了A320飛機頭等艙的熱舒適性與送風(fēng)速度之間的關(guān)系，為客艙內(nèi)部的熱舒適性研究提供依據(jù)。座艙氣流組織分配對乘客舒適性和健康有直接影響[6-7]，研究中應(yīng)用CFD技術(shù)在廊橋內(nèi)選擇合理的送風(fēng)口布局，以滿足乘客對熱舒適性的需要。ZHANG Tengfei[8]對B767進行CFD仿真，比較了混合空氣送風(fēng)模式、地板送風(fēng)模式和個性化送風(fēng)模式對客艙內(nèi)氣流分布的影響。隨著計算機處理能力的不斷增強，CFD在航空航天中的應(yīng)用越來越廣泛。本論文應(yīng)用CFD技術(shù)模擬飛機客艙與廊橋內(nèi)部的溫度場、速度場，確定最佳的橋載空調(diào)送風(fēng)速度，同時研究了廊橋內(nèi)送風(fēng)口分布對氣流組織的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 客艙與廊橋的CAD模型

飛機的主要尺寸圖是根據(jù)A320維修手冊[9]進行建模的。廊橋上的送風(fēng)口分布是目前機場中采用的方式，稱為集中送風(fēng)模式，如圖1所示。圖2為均勻送風(fēng)模式，用于與圖1的集中送風(fēng)模式進行對比，研究登機廊橋內(nèi)氣流組織形式對熱舒適性的影響。模型中建立了客艙模型、人體模型、廊橋模型，廊橋模型截取了靠近飛機部分?？团撏獠織l件為夏季白天，客艙空調(diào)設(shè)置為制冷模式。

圖1 廊橋集中送風(fēng)模式的模型Fig.1 Model of central air supply mode of bridge

圖2 廊橋均勻送風(fēng)模式的模型Fig.2 Model of uniform air supply mode of bridge

1.2 網(wǎng)格劃分

對整個客艙與登機廊橋內(nèi)部采用六面體網(wǎng)格，模型的邊界面附近采用四面體網(wǎng)格。整個模型的網(wǎng)格數(shù)量為593.7萬個，網(wǎng)格質(zhì)量達到0.32以上，滿足計算要求。模型劃分的網(wǎng)格圖，如圖3所示。

1.3 邊界條件

客艙內(nèi)主要的熱源來自外部太陽輻射、人體輻射。FLUENT提供了太陽加載模型對計算域中太陽輻射熱流的作用進行仿真。需要輸入的參數(shù)有位置（緯度、經(jīng)度和時區(qū)）、起始日期和時間、網(wǎng)格指向等，這3個是主要參數(shù)。本文選擇的城市是天津市，其緯度為北緯39°13′N，經(jīng)度為東經(jīng)117°20′E，時區(qū)為東8區(qū)。起始日期時間為6月20日13點整，指向為飛機正對南方。這一時間的氣溫一般在30℃左右，太陽高度角為74.5°，光照強度很高。

按照對空氣溫度影響機理不同，人體熱源的散熱方式可分為兩種：①直接散熱，包括對流、呼吸散熱以及人體散濕形成的潛熱；②間接散熱，即人體輻射散熱。根據(jù)以上兩種散熱方式建立人體的熱平衡方程，進而建立人體熱源模型。通常采用的計算模型是根據(jù)ASHRAE2009[10]中關(guān)于人體散熱的計算方法，同時根據(jù)文獻[11-12]中關(guān)于人體散熱的研究，最終得出人體表面的發(fā)熱量為80 W/m2。因為本文考慮的是夏天情況，人們著裝比較單薄，所以假設(shè)這個熱量可以直接輻射到客艙內(nèi)部。

飛機橋載空調(diào)是變風(fēng)量空調(diào)，所以送風(fēng)口溫度不變，經(jīng)測溫儀器得到送風(fēng)溫度為15.5℃，仿真中設(shè)置為288 K，湍流強度為5%，水力直徑設(shè)置為0.05 m。查閱文獻[13]可得到玻璃與合金的導(dǎo)熱率、吸收率和透射率，仿真中對于飛機的窗戶和廊橋兩邊的玻璃面設(shè)置為半透明的邊界面，熱傳導(dǎo)率設(shè)置為0.3 W/m·k直接可見光吸收率設(shè)置為0.1，直接紅外吸收率也設(shè)置為0.1，而直接可見光透射率設(shè)置為0.8，直接紅外透射率也設(shè)置為0.8。飛機蒙皮和廊橋頂部、底部的邊界面都設(shè)置成不透明的邊界面，邊界面直接可將光吸收率設(shè)置為0.65，直接紅外吸收率也設(shè)置為0.65。但是，由于飛機壁面的隔熱性能良好，其邊界的熱傳導(dǎo)率設(shè)置為0.45 W/m·k，而廊橋頂部和底部邊界面的導(dǎo)熱率設(shè)置為1.15 W/m·k。

圖3 模型網(wǎng)格Fig.3 Model grids

2 評價指標(biāo)

2.1 空氣分布特性指標(biāo)

空氣分布特性指標(biāo)（ADPI,air diffusion performanceindex）定義為滿足規(guī)定風(fēng)速和溫度要求的測點數(shù)與總測點數(shù)之比。ADPI是綜合考慮空氣溫度和風(fēng)速對人體的影響而提出的。有效溫差與客艙內(nèi)風(fēng)速存在以下關(guān)系[14]

其中，△ET為有效溫差；vi為客艙內(nèi)某點的空氣流速；ti為測點溫度；tm為客艙內(nèi)的平均溫度。

當(dāng)△ET在-1.7～1.1℃，vi＜0.35 m/s時，多數(shù)人感覺舒適。ADPI的計算式為場；圖8、圖9為登機廊橋均勻送風(fēng)模式下的溫度場和風(fēng)速場。

2.2 不均勻系數(shù)

客艙和廊橋內(nèi)氣流組織的表現(xiàn)形式為溫度、風(fēng)速等均有不同程度的差異。這種差異可以用不均勻系數(shù)指標(biāo)來評價[14]。

在工作區(qū)內(nèi)選擇n個測點，分別測得各點的溫度和風(fēng)速，求其算數(shù)平均值為

均方根偏差為

則不均勻系數(shù)的定義為

溫度不均勻系數(shù)kt、速度不均勻系數(shù)kv都是無量綱數(shù)。kt、kv的值越小，表示氣流分布的均勻性越好。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 客艙與廊橋內(nèi)采樣面與采樣點的選取

如圖4所示，在仿真結(jié)果中截取8個截面，然后在每個截面上按圖5所示選取4個采樣點。其中對截面1、截面2、截面3的數(shù)據(jù)結(jié)果處理得到客艙內(nèi)部的ADPI和不均勻系數(shù)，對截面4、截面5、截面6、截面7、截面8的數(shù)據(jù)結(jié)果處理得到廊橋內(nèi)部的ADPI和不均勻系數(shù)。

3.2 FLUENT仿真溫度場和速度場

本文只列舉出送風(fēng)速度為1m/s的仿真結(jié)果，圖6、圖7為登機廊橋集中送風(fēng)模式下的溫度場和風(fēng)速

圖4 仿真結(jié)果的采樣截面Fig.4 Sampling section of simulation results

圖5 客艙截面與廊橋截面上的采樣點Fig.5 Sampling points on cabin and bridge section

圖6廊橋集中送風(fēng)模式下送風(fēng)速度1 m/s的溫度場

Fig.6Temperature field with air velocity 1 m/s in central air supply mode

圖7 廊橋集中送風(fēng)模式下送風(fēng)速度1 m/s的風(fēng)速場Fig.7 Wind field with air velocity 1 m/s in central air supply mode

圖8 廊橋均勻送風(fēng)模式下送風(fēng)速度1 m/s的溫度場Fig.8 Temperature field with air velocity of 1 m/s in uniform air supply mode

圖9 廊橋均勻送風(fēng)模式下送風(fēng)速度1 m/s的風(fēng)速場Fig.9 Wind field with air velocity of 1 m/s in uniform air supply mode

3.3 仿真結(jié)果處理

在廊橋集中送風(fēng)模式中，對客艙內(nèi)部的采樣截面按照圖5所示，從送風(fēng)速度為1 m/s仿真結(jié)果中采集采樣點處的溫度ti、風(fēng)速vi，其中i=1，2，…，12。計算這12個溫度的平均值得到計算有效溫差所需的tm。結(jié)合式（1）得到客艙內(nèi)12個采樣點處的△ETi，再由式（2）可以得到送風(fēng)速度為1 m/s時度客艙內(nèi)的ADPI。分別計算出送風(fēng)速度v=0.2，0.4，…，2 m/s情況下客艙內(nèi)的ADPI，結(jié)果如圖10所示。

圖10 廊橋集中送風(fēng)模式下客艙內(nèi)ADPI-v曲線Fig.10 ADPI-v curve inside cabin in central air supply mode

在廊橋的集中送風(fēng)模式中，對于登機廊橋內(nèi)部的采樣面，按照圖5所示，從送風(fēng)速度為1 m/s仿真結(jié)果中采集采樣點處的溫度tj、風(fēng)速vj，其中j=1，2，…，20。按照上述的方法分別計算出登機廊橋內(nèi)部送風(fēng)速度v=0.2，0.4，…，2 m/s情況下的ADPI，結(jié)果如圖11所示。

圖11 廊橋集中送風(fēng)模式下廊橋內(nèi)ADPI-v曲線Fig.11 ADPI-v curve inside bridge in central air supply mode

由圖11可得到在送風(fēng)速度為1.2 m/s的時候廊橋內(nèi)部的ADPI最大。采集這個送風(fēng)速度時，廊橋內(nèi)部采樣面上的采樣點處的溫度tj、風(fēng)速vj，其中j=1，2，…，20，帶入式（3）～式（8），把溫度由開爾文轉(zhuǎn)換為攝氏度，計算出溫度不均勻系數(shù)kt=0.054、速度不均勻系數(shù)kv=0.161 3。

同理，可以得到在廊橋的均勻送風(fēng)模式下，客艙內(nèi)的ADPI與送風(fēng)速度的關(guān)系曲線如圖12所示，和廊橋內(nèi)的ADPI與送風(fēng)速度的曲線關(guān)系如圖13所示。

圖12 廊橋均勻送風(fēng)模式下客艙內(nèi)ADPI-v曲線Fig.12 ADPI-v curve inside cabin in uniform air supply mode

圖13 廊橋均勻送風(fēng)模式下廊橋內(nèi)ADPI-v曲線Fig.13 ADPI-v curve inside bridge in uniform air supply mode

由圖13可得在送風(fēng)速度為1 m/s時，廊橋內(nèi)部的ADPI取得最大，計算出此時的溫度不均勻系數(shù)kt= 0.011 2、速度不均勻系數(shù)kv=0.091 2。

4 結(jié)語

1）由圖10～圖13可得到飛機客艙與登機廊橋內(nèi)部的熱舒適性與送風(fēng)速度具有密切關(guān)系，只有當(dāng)送風(fēng)速度合適才能使客艙與廊橋內(nèi)部達到最好的熱舒適性。論文中的CFD仿真結(jié)果可為橋載空調(diào)的控制提供依據(jù)。

2）通過對廊橋集中式送風(fēng)模式與均勻送風(fēng)模式的CFD仿真結(jié)果比較，以溫度不均勻系數(shù)、速度不均勻系數(shù)作為氣流組織的指標(biāo)，結(jié)果表明均勻送風(fēng)模式下登機廊橋內(nèi)部的不均勻系數(shù)明顯減小。所以，均勻送風(fēng)模式的氣流組織比目前機場采用的集中送風(fēng)模式好。

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（責(zé)任編輯：劉智勇）

Numerical analysis of thermal comfort inside aircraft cabin and departure lounge bridge

HAO Guihe,LIANG Xiaobei
（College of Electronic Information and Automation,CAUC,Tianjin 300300,China）

Bridge-load air conditioning is used to maintain the thermal comfort inside aircraft cabin and lounge bridge when an aircraft docks at airport.Reasonable bridge-load air conditioning control should keep the required thermal comfort,and realize energy saving for environmental protection.Numerical simulation(CFD)of aircraft cabin and lounge bridge environment including temperature field and velocity field is made.ADPI(air diffusion performance index),irregularity coefficient of temperature and speed are chosen as thermal evaluation indicators to study the relationship between fresh air supply speed of bridge-load air conditioning and thermal comfort inside the aircraft cabin and lounge bridge.CFD simulation results show that only when the speed of air supply is set appropriately, the ADPI reaches maximum.With the optimum air supply speed,different modes of air supply have different effect.Uniform air supply mode is better than central air supply mode.The results will improve bridge-load air conditioning control.

departure lounge bridge;bridge-load air conditioning;thermal comfort;CFD;air distribution

V245；TK511

A

1674－5590（2017）01－0007－04

2016-03-16；

2016-04-20基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（U1433107）

郝貴和（1971—），男，遼寧阜新人，講師，碩士，研究方向為飛機客艙能耗預(yù)測控制.