崔旭佳, 唐湛棋,2, 姜 楠,2,*, 劉俊杰

(1. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院力學(xué)系, 天津 300354; 2. 天津市現(xiàn)代工程力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300354; 3. 天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300354)

0 引 言

客機(jī)座艙環(huán)控系統(tǒng)是大型客機(jī)的重要組成部分，是21世紀(jì)國(guó)內(nèi)外大飛機(jī)研究[1-6]的重點(diǎn)。創(chuàng)造高效、節(jié)能、安全、健康、舒適的座艙環(huán)境,是體現(xiàn)我國(guó)大飛機(jī)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中優(yōu)勢(shì)的重要保證，也是保障乘客和機(jī)組人員安全、健康和舒適并通過適航認(rèn)證的前提。通過組織合理的氣流來(lái)改善座艙環(huán)境安全性、健康性、舒適性是當(dāng)前國(guó)際研究的前沿，座艙中的空氣流動(dòng)是整個(gè)座艙環(huán)境形成和控制的重要基礎(chǔ)。其中風(fēng)口是艙內(nèi)氣流組織的動(dòng)力源頭，它決定了艙內(nèi)氣流的流動(dòng)特征，風(fēng)口流場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是研制新型座艙環(huán)控系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。個(gè)性化風(fēng)口是座艙環(huán)控系統(tǒng)中重要的送風(fēng)單元，其主要作用為快速通風(fēng)、換熱，乘客可以根據(jù)自己實(shí)時(shí)感受進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，以達(dá)到自身的最佳舒適程度，但現(xiàn)有個(gè)性化送風(fēng)常引起乘客頭部的強(qiáng)烈集中吹風(fēng)感，而且浪費(fèi)氣源，加重發(fā)動(dòng)機(jī)引氣負(fù)擔(dān)，不利于節(jié)能減排，因此開展個(gè)性化風(fēng)口流場(chǎng)優(yōu)化調(diào)控的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

為了降低乘客對(duì)個(gè)性化送風(fēng)的頭部集中吹風(fēng)感，改善個(gè)性化送風(fēng)流場(chǎng)多尺度湍渦結(jié)構(gòu)成分，設(shè)計(jì)了帶有不同尺寸加齒結(jié)構(gòu)的噴嘴，加裝在個(gè)性化風(fēng)口，通過加齒根部與圓弧邊緣角區(qū)生成的流向渦擾動(dòng)[7-8]，調(diào)控原有流場(chǎng)中的多尺度湍渦成分，以達(dá)到降低吹風(fēng)感、提高乘客舒適度的目的。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量技術(shù)

實(shí)驗(yàn)是在飛機(jī)客艙環(huán)境模型實(shí)驗(yàn)艙(見圖1)中完成的,該實(shí)驗(yàn)艙是基于真實(shí)MD-82客艙仿建的一個(gè)艙體。環(huán)境艙的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠阻隔實(shí)驗(yàn)過程中外界氣流和聲波擾動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，模型艙壁材料采用雙層真空鋼化玻璃，起到良好的絕熱和隔音效果，同時(shí)便于實(shí)驗(yàn)者從外部進(jìn)行觀測(cè)調(diào)控實(shí)驗(yàn)。

圖1 環(huán)境模型艙尺寸示意圖

實(shí)驗(yàn)中將加裝不同噴嘴模型的個(gè)性化風(fēng)口固定在環(huán)境艙模型頂板，將熱線探針固定在計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)三維坐標(biāo)架上，使得探針處于風(fēng)口的中心正下方。其中三維自動(dòng)坐標(biāo)架用R232通訊接口連接機(jī)艙外部電腦，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，避免實(shí)驗(yàn)過程中人員進(jìn)出環(huán)境艙帶來(lái)的干擾。個(gè)性化風(fēng)口模型尺寸如圖2所示，風(fēng)口流場(chǎng)是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形射流，環(huán)形的外徑D0=12.6mm，內(nèi)徑D1=9.6mm，最大開度的圓環(huán)寬度1.5mm。采用無(wú)油氣體壓縮機(jī)和穩(wěn)壓罐連續(xù)供氣，每小時(shí)的通氣量為3.4m3?；趫A環(huán)射流出口最大速度Um與圓環(huán)寬度得到的射流Re數(shù)為2522。

圖2 個(gè)性化風(fēng)口尺寸示意圖

為方便實(shí)驗(yàn)，采用可拆卸加齒噴嘴結(jié)構(gòu)，其尺寸設(shè)計(jì)大小恰好可以裝在個(gè)性化風(fēng)口的末端，4種不同長(zhǎng)度的加齒結(jié)構(gòu)尖齒的頂角保持一致，均為30°，加齒結(jié)構(gòu)的尺寸如圖3所示。采用IFA300恒溫式熱線風(fēng)速儀，以高于最小湍流時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨率，對(duì)裝有5、6、8和12mm齒間距的加齒個(gè)性化風(fēng)口射流流場(chǎng)的軸向和具有明顯效果的5mm加齒結(jié)構(gòu)的雙徑向(加齒結(jié)構(gòu)的截面成軸對(duì)稱，但因?yàn)榧恺X的存在，需要測(cè)量經(jīng)過尖齒的徑向以及無(wú)尖齒的徑向，所以為雙徑向)的瞬時(shí)速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集。軸向采集了0～186.5mm之間的68個(gè)空間點(diǎn)，每個(gè)徑向采集了7個(gè)不同軸向截面位置。因?yàn)樯淞鬟吔缇€具有線性擴(kuò)展的特性，每個(gè)截面測(cè)量的點(diǎn)數(shù)不一樣，而且點(diǎn)與點(diǎn)之間的間隔也不均勻，故采取上述采集點(diǎn)方式設(shè)置以達(dá)到實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)效果最佳。

圖3 4種加齒結(jié)構(gòu)的尺寸示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)量采用美國(guó)TSI公司IFA-300恒溫式熱線風(fēng)速儀，它能夠連續(xù)地感受流動(dòng)速度并自動(dòng)地調(diào)整動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)最佳化頻率響應(yīng)，是目前唯一能夠以湍流最小時(shí)間尺度(Kolmogorov時(shí)間尺度)的分辨率測(cè)量湍流的測(cè)速儀器[9]。實(shí)驗(yàn)中每個(gè)空間測(cè)點(diǎn)的采樣頻率為100 000Hz，每個(gè)時(shí)間序列樣本數(shù)據(jù)量為4 194 304，測(cè)量時(shí)間為41.94s。實(shí)驗(yàn)中所采用的探針為TSI 1260A-T1.5迷你型單絲熱線探針，其敏感原件為直徑5μm、長(zhǎng)度1.5mm的鎢絲，探針在測(cè)量前使用1151A型熱線探針校準(zhǔn)器進(jìn)行了標(biāo)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平均速度分布

軸向坐標(biāo)定義如圖2所示。在z軸上非等分地布置68個(gè)點(diǎn)，作為采樣點(diǎn)。由于個(gè)性化風(fēng)口中心線“子彈頭”形導(dǎo)流體的存在，軸向的起測(cè)點(diǎn)位于z軸的6.5mm處，以步長(zhǎng)0.5mm測(cè)量11點(diǎn)，然后以步長(zhǎng)1mm測(cè)量20點(diǎn)，2mm步長(zhǎng)測(cè)量10點(diǎn)，最后以5mm步長(zhǎng)測(cè)量到186.5mm處，相當(dāng)于從距離風(fēng)口0.5D0到14D0。

因?yàn)榄h(huán)形射流中心線“子彈頭”形導(dǎo)流體的存在，使得個(gè)性化風(fēng)口環(huán)形噴出氣流在z軸上匯聚，形成一個(gè)速度最大點(diǎn)，稱之為再附著點(diǎn)[1]。圖4是軸向平均速度剖面圖并標(biāo)注出了誤差值(±1%)，從圖4中可以看出速度最大點(diǎn)在z軸上的位置，并沒有因?yàn)榧育X結(jié)構(gòu)的存在受到影響，各個(gè)不同尺寸加齒結(jié)構(gòu)風(fēng)口的再附點(diǎn)位置都位于z軸的16.5mm處。而且加齒結(jié)構(gòu)均使得個(gè)性化風(fēng)口的平均速度沿軸向衰減加快，其中5mm的加齒結(jié)構(gòu)平均速度衰減最快，平均速度衰減率提高了13.54%。

圖4 有無(wú)加齒個(gè)性化風(fēng)口射流中心線平均速度剖面

針對(duì)軸向平均衰減最快的5mm加齒結(jié)構(gòu)，又對(duì)沿徑向測(cè)量的瞬時(shí)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。由于加齒結(jié)構(gòu)具有雙徑向，徑向坐標(biāo)定義如圖3所示。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了7個(gè)不同軸向位置的x-z截面和y-z截面空間點(diǎn)的瞬時(shí)速度信號(hào)。圖5是將平均速度U和徑向坐標(biāo)r用U/Um,r/r1/2無(wú)量綱化(一種經(jīng)典的射流徑向速度平均方法[10])得到的平均速度剖面。其中Um是軸線上的平均流速，r1/2為半值寬(加齒徑向x和不加齒徑向y分別取相應(yīng)徑向半值寬)。圖5(a)(圖中黑色代表x徑向，紅色代表y徑向，不同形狀代表不同的z軸向位置)可以證明加齒射流在充分發(fā)展區(qū)中的平均速度剖面的相似性和不同斷面流速分布的相似性。圖5(b)將軸對(duì)稱型衰減區(qū)中的同一z坐標(biāo)的加齒徑向和不加齒徑向進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)加齒徑向的無(wú)量綱平均速度沿徑向衰減顯著加快，說(shuō)明由于齒與圓弧夾角產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)流向小渦的擾動(dòng)，加速了二維圓環(huán)射流的不穩(wěn)定性破碎及向三維的演化過程[7-8]，增強(qiáng)了射流在充分發(fā)展區(qū)與周圍靜止流體的動(dòng)量、能量、質(zhì)量傳遞和交換，流場(chǎng)卷吸摻混周圍靜止流體的能力增強(qiáng)，加快了射流平均速度沿加齒徑向的衰減。

圖5 有無(wú)加齒個(gè)性化風(fēng)口射流徑向無(wú)量綱平均速度剖面

2.2 湍流強(qiáng)度分布

個(gè)性化風(fēng)口的主要作用是乘客用來(lái)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)送風(fēng)以得到更舒適的體感，F(xiàn)anger等[11-12]從相反角度對(duì)乘客的不舒適度進(jìn)行過定義：

PD%=0.00165(28-ta)1.25(νf-0.05)(34-t)+

0.0214Tu(νf-0.05)(34-t)

(1)

式中：PD%表示乘客對(duì)氣流的不滿意度；ta表示周圍環(huán)境溫度；t表示當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度；ν表示當(dāng)?shù)仄骄俣龋籘u表示湍流強(qiáng)度?？梢钥闯觯牧鲝?qiáng)度Tu在公式(1)中起主要作用。

圖6是沿軸向湍流強(qiáng)度的發(fā)展演化對(duì)比圖，圖中縱坐標(biāo)表示的是用U0無(wú)量綱化的湍流強(qiáng)度，其中U0是環(huán)形出風(fēng)口的斷面平均速度，它可以根據(jù)出口截面的流量和截面積計(jì)算得到。從圖中可以明顯看出5mm的加齒結(jié)構(gòu)在出口到再附點(diǎn)階段，由于齒與圓弧夾角產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)流向小渦的擾動(dòng)影響，加齒風(fēng)口射流的湍流度大于不加齒風(fēng)口射流的湍流度，使湍流發(fā)展加快，而在再附點(diǎn)下游遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)(即靠近乘客區(qū)域)的湍流度比不加齒風(fēng)口的湍流度小。根據(jù)公式(1)，湍流度越大，乘客的不舒適感越強(qiáng)烈，所以5mm齒間距的加齒結(jié)構(gòu)風(fēng)口可以降低乘客頭部的區(qū)域的湍流度，從而降低乘客的不舒適感。

圖6 有無(wú)加齒個(gè)性化風(fēng)口射流中心線湍流強(qiáng)度剖面

2.3 多尺度湍渦成分的子波分析

子波分析[13-14]是近幾年新發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)字信號(hào)分析方法，通過時(shí)間序列信號(hào)與一個(gè)被稱為子波的解析函數(shù)進(jìn)行卷積，將信號(hào)在時(shí)域與頻域空間同時(shí)進(jìn)行分解。姜楠等[15-17]提出了用子波分析的能量最大準(zhǔn)則檢測(cè)壁湍流相干結(jié)構(gòu)猝發(fā)事件的方法。設(shè)一維信號(hào)在子波函數(shù)下的子波分析定義為：

(2)

其中,子波函數(shù)族ψa,b(t)是由子波母函數(shù)ψ(t)經(jīng)過平移(參數(shù)b)和伸縮(參數(shù)a)變換而來(lái)：

(3)

根據(jù)子波系數(shù)Wu(a,b),信號(hào)u(t)的能量可以按照尺度進(jìn)行分解：

(4)

利用子波分析對(duì)5mm加齒結(jié)構(gòu)的軸向13.13D0處的湍流信號(hào)進(jìn)行分解，得到不同徑向位置分尺度能量比例隨尺度分布E(a)云圖(見圖7)。從圖7可以看出，5mm加齒個(gè)性化風(fēng)口在40mm的徑向點(diǎn)周圍能量分布與不加齒相同位置的分尺度能量分布存在明顯差異。加齒結(jié)構(gòu)使得最大能量尺度附近含能湍流結(jié)構(gòu)的能量減少，從而降低了湍流強(qiáng)度，減小了強(qiáng)烈的吹風(fēng)感，提高了舒適性。

圖7 不加齒結(jié)構(gòu)徑向(x=13.13D0，r=40mm)與加齒結(jié)構(gòu)x和y徑向(z=13.13D0，y=40mm)能量隨尺度分布對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)軸向位置為13.13D0，徑向位置為40mm處空間測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度信號(hào)的子波系數(shù)等值云圖進(jìn)行分析，如圖8(a)、(b)和(c)所示?？梢钥闯黾育X所在徑向的湍渦結(jié)構(gòu)尺度明顯更加豐富，大尺度湍渦向小尺度湍渦的級(jí)串過程加快。而不加齒的風(fēng)口射流在該位置存在穩(wěn)定的大尺度結(jié)構(gòu)，湍渦的能量級(jí)串發(fā)展緩慢，小尺度湍渦結(jié)構(gòu)比較少，使乘客感到明顯的吹風(fēng)感和不舒適。

(a) 加齒噴嘴發(fā)展段加齒徑向(z=13.13D0，x=40mm)子波系數(shù)隨時(shí)間和尺度的分布云圖

(b) 加齒噴嘴發(fā)展段不加齒徑向(z=13.13D0，y=40mm)子波系數(shù)隨尺度與時(shí)間分布云圖

(c) 不加齒噴嘴徑向(x=13.13D0，r=40mm)子波系數(shù)隨尺度與時(shí)間分布云圖

3 結(jié) 論

本文提出對(duì)個(gè)性化風(fēng)口進(jìn)行邊緣加齒優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)控風(fēng)口流場(chǎng)中不同尺度的湍渦成分，降低吹風(fēng)感，從而獲得使人體更為舒適的氣流流場(chǎng)。

通過用高時(shí)間分辨率熱線風(fēng)速儀精細(xì)測(cè)量加裝不同尺寸加齒噴嘴的風(fēng)口流場(chǎng)，采用子波分析的方法對(duì)流場(chǎng)多尺度湍渦成分進(jìn)行分析，對(duì)比不同尺寸大小的加齒噴嘴對(duì)個(gè)性化風(fēng)口流場(chǎng)多尺度湍渦成分的調(diào)控效果，得出齒尖間距離為5mm時(shí)，個(gè)性化風(fēng)口的送風(fēng)使人體更舒適。

個(gè)性化風(fēng)口圓環(huán)射流經(jīng)過加齒調(diào)控，齒與圓弧夾角產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)流向小渦擾動(dòng)，增強(qiáng)了與周圍靜止流體的動(dòng)量、能量、質(zhì)量交換，降低了大尺度湍流結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而降低了吹風(fēng)感，提高了流場(chǎng)的舒適性。

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