劉桐宇，劉偉波，徐 浩，尚文錦，臧華兵，馮紅旗

(中國航天員科研訓練中心，北京 100094)

1 引言

空間站睡眠區(qū)作為航天員休息的主要場所，內(nèi)部氣流組織的分布狀況直接影響到通風換氣效率，進而航天員的安全性與睡眠舒適性。與地面普通臥室不同，微重力環(huán)境中，空間站睡眠區(qū)內(nèi)自然對流幾乎消失，必須采用強迫通風對流，才能防止睡眠期間航天員口鼻區(qū)CO2蓄積，保證航天員健康和安全；空間站睡眠區(qū)空間狹小，必須優(yōu)化空氣流速和分布，才能保證航天員睡眠舒適性[1]。通常，為保證睡眠區(qū)空氣質(zhì)量，回風口均設置在睡眠區(qū)內(nèi)航天員腳部附近[1-2]，由于回風口的位置相對固定，進風口的位置選擇直接影響著睡眠區(qū)氣流分布，進行數(shù)值仿真和優(yōu)化分析十分必要。

目前對于空間站睡眠區(qū)的研究，國內(nèi)學者付仕明等分析了空間站艙內(nèi)空氣在不同流量[3]和不同送風角度[3-4]等條件下的流場分布，建立了包括睡眠區(qū)在內(nèi)的簡化的三維空間站模型，并將其與兩種送風角度下的流場進行對比。此外，付仕明等[5]還對故障模式下睡眠區(qū)CO2的聚集狀態(tài)進行了研究。國外學者Chang等也對空間站睡眠區(qū)的CO2聚集現(xiàn)象進行了研究[6]，同時完成了包括睡眠區(qū)節(jié)點艙甚至整個空間站[7]的氣流分布模擬研究，還分析了乘員艙的空氣齡。

本文引入舒適速度比例、換氣效率以及吹風感作為評價指標，進一步對睡眠區(qū)內(nèi)部空氣流場、以及航天員睡眠舒適性進行研究，為優(yōu)化空間站睡眠區(qū)設計提供參考。

2 仿真模型和評價指標

2.1 物理模型

圖1 睡眠區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the crew quarter

本文所使用的睡眠區(qū)三維模型如圖1所示。睡眠區(qū)的前面是門，后面是乘員艙的內(nèi)弧面，側(cè)方的平面作為航天員的“床”，睡眠區(qū)整體尺寸約：1.10 m×0.75 m×2.10 m(長、寬、高)。航天員在睡袋中休息，可將軀干和四肢可簡化為0.30 m×0.60 m×1.50 m的長方體，航天員頭部區(qū)域是關(guān)注的重點，作為如圖所示的長方體作為重點評價區(qū)域，其上、下、左、右以及面部(頭后部為枕頭區(qū)域)距離頭部均約為6 cm。回風口布置在航天員腳部下方，進風口分別選擇在航天員的頭部上方(簡稱 “上(頂)進”)、航天員面向的睡眠區(qū)側(cè)方(簡稱“側(cè)進”)、航天員的腳部附近(簡稱“下(底)進”)。

2.2 仿真模型

2.2.1 計算方法

本文采用已被證明可行的標準k-ε模型[8]，控制方程通式如式(1)：

(1)

式中：ρ為材料密度；ui為i方向的速度分量；xi為i方向的坐標；Γφ,eff為有效擴散系數(shù)；Sφ為源項；t為時間。當φ取值不同時，式(1)可分別表示連續(xù)性方程、動能方程、能量方程、組分運輸方程等。

2.2.2 網(wǎng)格劃分與獨立性驗證

為檢驗網(wǎng)格獨立性，以及人體呼出的CO2污染物擴散情況，在睡眠區(qū)內(nèi)選取了兩個位置：線段S1在距離睡袋20 cm的中心截面上，線段S2在航天員口鼻前方，如圖1所示。

網(wǎng)格劃分包括兩部分：①頭部以外區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，以提高網(wǎng)格質(zhì)量并減少網(wǎng)格數(shù)量；②頭部區(qū)域劃分四面體網(wǎng)格。采用Size Function函數(shù)使網(wǎng)格按比例增長，在兩區(qū)域交界處網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一，保證網(wǎng)格的連續(xù)性。圖2給出了睡眠區(qū)中心截面示意圖；圖3給出了S1位置處的不同網(wǎng)格數(shù)下速度的比較結(jié)果，速度變化趨勢相同，誤差主要在速度拐點處；表1給出了風速相對于159萬網(wǎng)格計算結(jié)果的平均相對誤差，99萬網(wǎng)格計算結(jié)果相對誤差不到5%，滿足計算需要。經(jīng)過以上網(wǎng)格獨立性分析，表明99萬的網(wǎng)格數(shù)足夠。

圖2 中心截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the central section

圖3 S1處不同網(wǎng)格下風速比較(下送風條件下)Fig.3 Comparison of the air velocity of S1 with different grid numbers (the bottom inlet)

網(wǎng)格數(shù)目54萬99萬159萬平均相對誤差8.0%4.5%0

2.3 邊界條件

仿真由Fluent軟件執(zhí)行，模擬工況為空間站正常通風狀態(tài)，采用標準壁面函數(shù)法來處理近壁區(qū)的流動，壓力使用Standard離散格式[1-2]，其它參數(shù)采用二階迎風格式。睡眠區(qū)通風的邊界設定如下：

1)進風口參數(shù)，空氣的質(zhì)量流量為1.5 m3/min(等于0.030625 kg/s[9])，空氣溫度范圍為22 ℃～25 ℃，空氣中CO2濃度600 ppm；

2)航天員呼出氣體參數(shù)，設置為本模型的流量入口，流量為6 L/min[10](等于0.00012 kg/s)，溫度為34 ℃，CO2濃度36000 ppm?；仫L口設置為自由出流；

3)睡眠區(qū)壁面參數(shù)，頭部附近壁溫設置為34.6℃[11]，睡袋壁面溫度設置為25 ℃，睡眠區(qū)隔板為絕熱。

2.4 評價指標

本文計算睡眠區(qū)速度場、溫度場，同時為保證航天員在軌安全性，采用頭部區(qū)域CO2濃度作為安全性評價指標，并選取國際上通用的舒適速度比例、吹風感和換氣效率作為睡眠舒適性評價指標。

2.4.1 CO2濃度

根據(jù)空間站醫(yī)學要求：航天員長期在軌飛行，吸入CO2濃度不超過8000 ppm(分壓值0.8 kPa)。睡眠狀態(tài)下，評價重點是航天員頭部區(qū)域，應保證呼出的CO2應盡快通過通風帶走。

2.4.2 舒適速度比例

舒適速度比例是指在航天員活動區(qū)域內(nèi)的風速分布情況。研究表明，當乘員代謝小于234.4 W時，即使艙內(nèi)空氣速度低于0.0762 m/s也能夠滿足舒適性，規(guī)定最低風速主要是為了擴散CO2等污染物[12]。在國際空間站中，美國要求在0.051～0.20 m/s之間的風速達到70%，俄羅斯的要求為達到整體風速分布的2/3[13]。綜上所述，考慮到睡眠區(qū)污染物容易聚集和舒適性要求，選取0.08～0.2 m/s范圍作為指標，風速在該范圍所占比例越大，流場越好。評價范圍為乘員頭部區(qū)域和整艙區(qū)域。

2.4.3 吹風感

Fanger[14]等人將吹風感定義為“氣流對人體造成的不希望的局部的冷作用”，主要參數(shù)包括空氣速度、溫度以及湍流強度。本文采用ASHRAE標準中的DR(Draft Risk)模型[15]，如式(2)所示：

DR=(34-T)(v-0.05)0.62(0.37vTu+3.14)

(2)

式中：T為評價區(qū)域平均溫度，單位°C；v評價區(qū)域為平均速度，單位m/s；Tu為湍流強度。其中當v≤0.05 m/s時，DR=0；當DR>100%，DR=100%。DR值越大，人體產(chǎn)生吹風感越明顯。

2.4.4 換氣效率

睡眠區(qū)換氣效率[16]表征內(nèi)部空氣新鮮度?？諝庠谑覂?nèi)最短滯留時間稱為名義時間常數(shù)τn，如式(3)所示：

(3)

式中，V為房間體積，Q為通風量。進一步，可計算房間換氣效率η如式(4)：

(4)

(5)

式中f(τ)為空氣齡分布函數(shù)。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 流場分析

三種進風口位置時，平衡態(tài)下，可得睡眠區(qū)中心截面速度云圖和矢量圖如圖4。上方進風時，新風直接流向航天員頭部上方，繞過頭部區(qū)域流回出風口，造成頭部區(qū)域風速偏高，整場大部分風速偏低；側(cè)方進風時，新風直接吹向航天員面部，同樣造成頭部和整場風速偏低；底部進風時，沿側(cè)壁在睡眠區(qū)內(nèi)部形成環(huán)流，不僅在乘員頭部營造了合適的風速分布，而且提高了整體流場空氣速度。

圖4 三種通風位置下睡眠區(qū)中心截面速度云圖與矢量圖Fig.4 The velocity and vector graph of central section of crew quarters under three kinds of inlet position

3.2 睡眠舒適性分析

三個進風口位置評價區(qū)域的舒適速度比例見圖5(a)。腳部進風時，睡眠區(qū)和航天員頭部區(qū)域0.08～0.2 m/s之間速度所占比例均為最大，不僅能夠在頭部區(qū)域營造出合適的流場，而且可以起到全場擾流的效果。上方進風次之，側(cè)方再次之。三種進風口位置頭部區(qū)域和睡眠區(qū)的速度分布比例統(tǒng)計見圖5(b)，可以看出，側(cè)方進風和底部進風時，由于0～0.08 m/s低速區(qū)所占比例偏高，降低了舒適風速比例范圍。此外，側(cè)方進風時，低速和高速區(qū)域所占比例均為最高，說明該種進風口位置的流場分布極不均勻，從而容易造成不舒適感。

三種進風口位置，不同空氣溫度情況下頭部區(qū)域的吹風感的比較如圖6。上方進風時，吹風引起的不滿意率最高，最有可能造成吹風感；側(cè)方進風時，吹風引起的不滿意率最低，造成吹風感的可能性最低。但是依據(jù)ASHRAE標準[15]，推薦DR<20%，因此三種通風方式下造成吹風感的可能性均遠低于指標。此外，隨著溫度升高，三種通風方式造成吹風感的可能性均呈線性遞減，根據(jù)式(2)，空氣溫度變化較小時，湍流強度的影響很小，DR與溫度T呈現(xiàn)近似線性相關(guān)。

圖5 三種通風方式下舒適速度比例Fig.5 Comfortable speed ratio under three kinds of inlet positions

圖6 三種通風方式不同溫度下頭部吹風感Fig.6 Draft sensation under three kinds of inlet positions

換氣效率是評價室內(nèi)空氣更換效果好壞的指標，換氣效率越高，就說明室內(nèi)空氣更為清潔。選取空氣齡最高的底部進風方案進行計算，經(jīng)計算，睡眠區(qū)空氣齡平均值為65.9 s，睡眠區(qū)體積取為2 m3，送風量為1.5 m3/min，帶入式(4)，得到睡眠區(qū)換氣效率為60.7%?？梢?，三種進風口位置，睡眠區(qū)的換氣效率均超過60%，空氣較為新鮮。

3.3 CO2濃度分布和安全性分析

三種進風口位置航天員口鼻區(qū)S2處CO2濃度變化情況如圖8。航天員長期在軌飛行，CO2分壓不應超過0.79 kPa(相當于質(zhì)量分數(shù)占比0.124%[1-2])，圖中可以看出三種位置的CO2濃度分布均能夠滿足安全要求，底部進風時，CO2濃度下降最慢，在距口鼻區(qū)不到20 cm處也低于要求值。此外，側(cè)方進風時，CO2濃度下降最快，這是因為空氣直接流向乘員面部，易于CO2擴散。

圖8 乘員口鼻區(qū)正前方S2處CO2質(zhì)量分數(shù)Fig.8 CO2 mass fraction varies with the distance from mouth area

3.4 綜合評價

根據(jù)上述仿真計算和分析，三種進風口位置，吹風引起的頭部吹風感均低于8%，睡眠區(qū)換氣效率均超過60%，頭部CO2濃度滿足安全性要求。同時也發(fā)現(xiàn)：側(cè)方進風時，內(nèi)部流場分布不合理，低速和高速區(qū)所占比例偏高，上方進通風時，最易產(chǎn)生吹風感；底部通風時，睡眠區(qū)流場分布更為均勻舒適，頭部區(qū)域0.08～0.2 m/s所占比例超過80%，整艙高達60%，舒適速度比例更高。綜合評價，進風口布置在底部位置，不僅能滿足安全性要求，航天員睡眠舒適性也最好，是最優(yōu)選擇。不同進風口位置的睡眠舒適性綜合評價見表2。

表2空間站睡眠區(qū)流場和舒適性綜合評價

Table2Comprehensiveevaluationofflowfieldandcomfortofcrewquartersofspacestation

評價指標上方進風側(cè)方進風底部進風睡眠區(qū)流場均勻性次優(yōu)最差最優(yōu)睡眠區(qū)速度舒適比例次優(yōu)最差最優(yōu)頭部吹風感合格最優(yōu)合格睡眠區(qū)換氣效率/%合格合格合格頭部CO2濃度/%合格合格合格

4 結(jié)論

1)三種通風方式下，由吹風引起的不滿意率DR在頭部均低于8%，不易產(chǎn)生吹風感；DR值隨溫度升高，產(chǎn)生吹風感的可能性降低；三種通風方式下睡眠區(qū)換氣效率均超過60%，可見睡眠區(qū)內(nèi)部空氣更換效果良好；三種通風方式下口鼻區(qū)CO2濃度擴散合理，均能滿足安全性要求。

2)底部進風不僅能夠營造出合適的流場速度分布，頭部區(qū)域0.08～0.2 m/s所占比例超過80%，整個睡眠區(qū)高達60%，而且不易產(chǎn)生吹風感，雖然空氣新鮮程度低于其它兩種通風方式，但是經(jīng)過安全性分析，完全可以滿足航天員長期在軌需要，因此是最為合適的通風方式。

3)本文提出的通過流場仿真評價區(qū)域內(nèi)通風分布均勻性，選擇舒適速度比例、吹風感和換氣效率等指標綜合評價航天員體感舒適性的方法，也可用于空間站衛(wèi)生區(qū)和貨物貯存區(qū)等類似情況的通風仿真分析。