王云龍, 林家泉

(中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院, 天津 300300)

引言

近年來,我國民航業(yè)發(fā)展迅速,但是相應(yīng)的,民航排放物對大氣的污染問題也不容忽視[1]。民航客機發(fā)動機在運行時會釋放CO,SO2,NOX、顆粒物等大氣污染物[2-4]。這些污染物會在飛機的起飛著陸階段(Landing-Takeoff Cycle,LTO),通過飛機的引氣系統(tǒng)被吸入到客艙內(nèi),對客艙環(huán)境造成一定程度的污染。一項關(guān)于乘客對飛機客艙環(huán)境的滿意度問卷調(diào)查結(jié)果表明,接近四分之一的乘客認(rèn)為飛機客艙空氣品質(zhì)差,難以接受[5]。因此,既能夠快速排出污染物,改善客艙空氣品質(zhì),又能滿足乘客對熱舒適性的要求,就顯得十分重要。

使用高效空氣過濾器(High Efficiency Particulate Air Filter,HEPA)是清除飛機客艙空氣污染物效果最理想的方法之一,飛機通常將50%新風(fēng)和50%回風(fēng)混合后再重新送入客艙中,HEPA主要凈化艙內(nèi)回風(fēng)空氣中粒徑在0.3 μm以上的顆粒污染物,而對粒徑不在此范圍內(nèi)的空氣污染物的過濾效果并不理想[6]。為了改善客艙環(huán)境,研究者們在改進通風(fēng)設(shè)計方面做出了巨大努力,開發(fā)了沿著過道的地板下氣流分配系統(tǒng)、乘客前面座椅靠背的個性化通風(fēng)系統(tǒng),以及座位扶手和前排座位下部的個性化通風(fēng)系統(tǒng),這些新型的個性化通風(fēng)系統(tǒng)可以有效地改善客艙環(huán)境,然而,個性化系統(tǒng)非常復(fù)雜,改裝成本過高,并且有太多的供應(yīng)管道,這可能使得客艙發(fā)生危險進行疏散時產(chǎn)生安全問題[7]。綜上所述,研究合理的客艙氣流組織提高空氣品質(zhì)是比較容易實現(xiàn)且更為經(jīng)濟的方法。

目前,有關(guān)飛機客艙內(nèi)氣流特征和污染物傳播規(guī)律已經(jīng)有了大量研究[8-10]。楊建忠等[11]研究了不同送風(fēng)方式對飛機客艙內(nèi)污染物傳播產(chǎn)生的影響,送風(fēng)方式不同,污染物的傳播過程也不相同,艙內(nèi)氣流組織不斷變化,以變形運動為主導(dǎo)的氣流會阻礙污染物的傳播,而以旋轉(zhuǎn)運動為主導(dǎo)的氣流會使污染物產(chǎn)生聚集。MESENHOLLER E等[12]對非穩(wěn)態(tài)送風(fēng)進行總結(jié),得出不同的非穩(wěn)態(tài)通風(fēng)策略對改變氣流結(jié)構(gòu)有積極影響,能夠產(chǎn)生更強的混合效應(yīng),從而防止形成穩(wěn)定的大渦流,造成污染物的堆積。李波等[13]使用正弦信號向飛機客艙內(nèi)送風(fēng),發(fā)現(xiàn)正弦送風(fēng)可以降低客艙內(nèi)空氣齡。THYSEN J H等[14]研究了單通道飛機客艙模型的分段等溫時間內(nèi)周期混合通風(fēng),將乘客呼出的空氣作為污染物,發(fā)現(xiàn)周期性送風(fēng)氣流促進了新鮮氣流有效地輸送到乘客呼吸區(qū),使得乘客呼吸區(qū)污染物濃度大幅降低,并增加了從機艙中排出的污染物。增加客艙新風(fēng)量,使新鮮空氣和艙內(nèi)污染物充分混合后再排出到艙外也能提高艙內(nèi)空氣質(zhì)量,李斐[15]發(fā)現(xiàn)在非穩(wěn)態(tài)工況下,將送風(fēng)量變大可以降低區(qū)域內(nèi)污染物濃度,說明增大通風(fēng)量對于改善客艙內(nèi)的空氣質(zhì)量效果是明顯的,但是增加新風(fēng)也意味著更多的能源消耗。

本研究采用連續(xù)的三角波信號送風(fēng),在同等送風(fēng)量的情況下,以NO2作為污染物示蹤氣體,比較了相同時間內(nèi)恒值送風(fēng)和三角波送風(fēng)對NO2的清除效果,并考慮了乘客的熱舒適性,用由吹風(fēng)感引起的乘客不滿意率DR作為舒適度評價指標(biāo),得出最佳的送風(fēng)方式。

1 研究方法

1.1 客艙CFD模型

本研究采用CFD方法來模擬計算客艙內(nèi)的空氣環(huán)境,建立Boeing 737飛機客艙模型如圖1所示,其中包含2條貫穿艙頂?shù)奶旎ò逅惋L(fēng)口,10個平均分布在客艙左右兩側(cè)行李架處的側(cè)壁送風(fēng)口,以及艙底的10個排風(fēng)口,沿中間過道兩側(cè)有5排6列共30個座位。共有3種送風(fēng)方式,分別為天花板送風(fēng)、側(cè)壁送風(fēng)和混合送風(fēng)。天花板送風(fēng)時僅打開天花板送風(fēng)口,側(cè)壁送風(fēng)時僅打開側(cè)壁送風(fēng)口,混合送風(fēng)時2種送風(fēng)口都打開。

圖1 Boeing 737客艙模型Fig.1 Boeing 737 cabin model

用四面體網(wǎng)格對客艙模型進行劃分,DUAN R等[16]發(fā)現(xiàn)合理的網(wǎng)格疏密分布可以保證不破壞網(wǎng)格質(zhì)量的同時減少網(wǎng)格數(shù)量,從而減少計算時間,因此在靠近送風(fēng)口和排風(fēng)口等流場相對復(fù)雜的區(qū)域進行了網(wǎng)格精密化處理,而遠(yuǎn)離這些區(qū)域的網(wǎng)格進行加大,總體網(wǎng)格數(shù)量約為558萬。

1.2 數(shù)值模型

RNGk-?湍流模型被廣泛應(yīng)用在飛機客艙的氣流模擬中,并且能夠得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果[17],其控制方程為:

(1)

式中,ρ—— 密度

φ—— 變量

t—— 時間

Γφ,eff—— 有效擴散系數(shù)

Sφ—— 源項

計算時采用SIMPLE算法耦合壓力和速度,壓力離散采用PRESTO!算法,梯度采用Green-Gauss Cell Based格式,其他參數(shù)均采用二階迎風(fēng)格式,當(dāng)所有的殘差項達(dá)到10-6時認(rèn)為計算收斂。

1.3 客艙CFD模型驗證

使用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)來測得實驗艙的風(fēng)速場,將PIV實驗所測得實際結(jié)果與客艙CFD模型所得到的仿真結(jié)果進行對比來驗證模型的準(zhǔn)確性。實驗艙如圖2所示。

圖2 實驗艙Fig.2 Experimental cabin

示蹤粒子為平均粒徑約為1.5 μm的顆粒,通過煙霧發(fā)生器產(chǎn)生并從側(cè)壁送風(fēng)口和天花板送風(fēng)口送入實驗艙內(nèi)。采樣區(qū)域選在客艙第2排與第3排之間,使用CCD相機采集該區(qū)域的流場信息,為方便采樣,將所需測量的截面劃分為4個區(qū)域,單次測量的區(qū)域面積為900 mm×600 mm,然后將所得到的4個區(qū)域流場進行拼接,并將其與CFD仿真得到的流場圖進行對比,對比結(jié)果如圖3所示,由圖可知仿真模擬結(jié)果和PIV實驗結(jié)果氣流運動趨勢基本一致,可以認(rèn)為該模型是可靠的。

圖3 仿真結(jié)果和PIV實驗Fig.3 Simulation results and PIV experiment

1.4 仿真邊界條件設(shè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[18-22],邊界條件設(shè)定如下:

(1) 入口類型選為velocity-inlet,出口類型選為outflow;

(2) 送風(fēng)溫度為296 K;

(3) 人體設(shè)置為第二類邊界條件,座椅、地面、窗戶類型設(shè)置為wall。

仿真過程中選取NO2作為污染物,先向客艙內(nèi)部通入40 s空氣與NO2的混合氣體,其中NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5×10-7,40 s后通入不含NO2的新風(fēng),以10 s為一個送風(fēng)周期,通入160 s新風(fēng)?？团摲謩e處于恒值信號送風(fēng)和三角波信號送風(fēng)時通入的空氣總量保持一致,各工況下的送風(fēng)速度如表1所示。

表1 送風(fēng)速度Tab.1 Air supply speed

以天花板送風(fēng)方式為例,2種送風(fēng)信號下客艙出風(fēng)口送風(fēng)速度如圖4所示。

圖4 天花板送風(fēng)方式下2種信號送風(fēng)速度Fig.4 Two signal air supply speeds under ceiling air supply mode

2 客艙仿真結(jié)果分析

2.1 客艙氣流特征

客艙的氣流特征會影響污染物的分布,湍流強度是影響空氣中污染物濃度的直接因素之一,是描述速度波動相對強度的量,其分布顯示了流場的不穩(wěn)定性。湍流強度的計算公式[23]為:

(2)

式中,TI—— 湍流強度

k—— 湍流動能

U—— 平均速度

采樣平面取在第2排與第3排乘客之間。恒值信號送風(fēng)時,采樣平面湍流強度分布如圖5～圖7所示。側(cè)壁送風(fēng)方式下,客艙中部穩(wěn)定存在高湍流強度區(qū)域,并且位置逐漸下移,客艙左右兩側(cè)均零散分布著部分高湍流強度區(qū)域。天花板送風(fēng)方式下, 湍流強度變化不大,高湍流強度區(qū)域穩(wěn)定存在于客艙左右兩側(cè),客艙中部及艙壁處湍流強度一直處于較低水平。混合送風(fēng)方式下,t=100 s時,客艙右側(cè)存在部分高湍流強度區(qū)域;t=150 s時,客艙右側(cè)高湍流強度區(qū)域消失;t=200 s時,客艙左側(cè)及中部位置出現(xiàn)部分高湍流強度區(qū)域。綜上所述,恒值信號送風(fēng)時,客艙內(nèi)湍流強度變化最明顯的是混合送風(fēng)方式,天花板送風(fēng)方式下湍流強度變化最小。

圖5 側(cè)壁送風(fēng)方式下湍流強度分布(恒值信號)Fig.5 Turbulence intensity distribution under sidewall air supply mode (constant value signal)

圖6 天花板送風(fēng)方式下湍流強度分布(恒值信號)Fig.6 Turbulence intensity distribution under ceiling air supply mode (constant value signal)

圖7 混合送風(fēng)方式下湍流強度分布(恒值信號)Fig.7 Turbulence intensity distribution under mixed air supply mode (constant value signal)

三角波信號送風(fēng)時,采樣平面湍流強度分布如圖8～圖10所示。側(cè)壁送風(fēng)方式下,t=100 s時,高湍流強度區(qū)域分布在客艙中部及左側(cè);t=150 s時,客艙左側(cè)高湍流強度區(qū)域消失,客艙中部原來的高湍流強度區(qū)域位置發(fā)生偏移,并新增2塊高湍流強度區(qū)域;t=200 s時,客艙中部高湍流強度區(qū)域變小,客艙右部出現(xiàn)部分高湍流強度區(qū)域。天花板送風(fēng)方式下,t=100 s與t=150 s時,湍流強度變化不大,t=200 s時,客艙右側(cè)出現(xiàn)部分高湍流強度區(qū)域?；旌纤惋L(fēng)方式下,t=100 s時,客艙右側(cè)存在部分高湍流強度區(qū)域;t=150 s時,客艙右側(cè)高湍流強度區(qū)域消失,客艙中部出現(xiàn)部分高湍流強度區(qū)域;t=200 s時,客艙中部高湍流強度區(qū)域消失,客艙左右兩側(cè)零散分布著部分高湍流強度區(qū)域。綜上所述,客艙使用三角波信號送風(fēng)時,湍流強度均發(fā)生了明顯變化。

圖8 側(cè)壁送風(fēng)方式下湍流強度分布(三角波信號)Fig.8 Turbulence intensity distribution under sidewall air supply mode (triangular wave signal)

圖9 天花板送風(fēng)方式下湍流強度分布(三角波信號)Fig.9 Turbulence intensity distribution under ceiling air supply mode (triangular wave signal)

圖10 混合送風(fēng)方式下湍流強度分布(三角波信號)Fig.10 Turbulence intensity distribution under mixed air supply mode (triangular wave signal)

2種送風(fēng)信號下采用不同送風(fēng)方式時客艙內(nèi)不同時刻NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖11所示,由于飛機客艙內(nèi)空間相對狹小,送風(fēng)氣流很容易在客艙內(nèi)產(chǎn)生渦旋,渦旋會導(dǎo)致客艙中污染物出現(xiàn)聚集,湍流強度不斷變化,連續(xù)波動的風(fēng)速打破了由渦旋產(chǎn)生的空氣滯留區(qū),提高了空氣流動性。三角波信號送風(fēng)時,側(cè)壁送風(fēng)方式,天花板送風(fēng)方式,混合送風(fēng)方式下NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)比恒值信號送風(fēng)時分別下降了5.2%,8.7%,6.5%,其中三角波信號送風(fēng)時混合送風(fēng)方式下NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。

圖11 客艙內(nèi)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.11 NO2 mass fraction in cabin

2.2 客艙排污能力評價

使用無量綱標(biāo)準(zhǔn)化污染物濃度C*用于評價客艙排污能力,其計算公式[24]為:

(3)

式中,Clocal為采樣平面污染物濃度,Cout為出風(fēng)口處污染物濃度,Cin為入風(fēng)口處污染物濃度,截取t=200 s時第3排乘客位置處為采樣平面,此時通入的空氣為不含污染物的新風(fēng),因此Cin=0。C*越低,污染物濃度越低,排污能力越強。分別采用3種不同的送風(fēng)信號對客艙進行送風(fēng),不同送風(fēng)方式下采樣平面上C*平均值如圖12所示。

圖12 不同工況下采樣平面C*值Fig.12 Sampling plane values under different working conditions

3種送風(fēng)信號下,混合送風(fēng)方式時排污效率最好,其中三角波混合送風(fēng)方式下C*最低,分別比正弦信號和恒值信號低1.5%,4.6%。三角波信號送風(fēng)增加了客艙內(nèi)氣流速度的不均勻分布,對提高客艙內(nèi)氣流流動性產(chǎn)生了積極意義,進而改善了客艙內(nèi)空氣質(zhì)量,提高了排污效率。

3 乘客熱舒適性分析

客艙環(huán)境是一個不均勻的熱環(huán)境,不同乘客對于空調(diào)的送風(fēng)溫度及速度所帶來的感知差異較大[25],本研究使用由吹風(fēng)感引起的不滿意率DR來評價乘客的熱舒適性,吹風(fēng)感是由于空氣流動而使人產(chǎn)生不期望的冷感覺,DR值要低于20%才能保證乘客的舒適性,DR的計算公式[26]為:

DR=(34-ta)(v-0.05)0.62(0.37v·TI+3.14)

(4)

式中,ta—— 某處的空氣溫度

v—— 該處的空氣速度

TI—— 該處的湍流強度

分別截取每一排乘客位置處為采樣平面,計算t=200 s時不同工況下各排乘客位置處DR值如圖13所示。

圖13 不同工況下各排乘客位置處DR值Fig.13 DR value of each row passenger position under different working conditions

由圖可知,當(dāng)送風(fēng)信號由恒值改為三角波時,側(cè)壁送風(fēng)方式下乘客位置處DR值有所降低,而天花板送風(fēng)方式和混合送風(fēng)方式下DR值有所上升,但均在20%以下,符合ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本研究提出了一種新型的飛機客艙三角波送風(fēng)方式,在所設(shè)定的仿真邊界條件下,比較了三角波信號送風(fēng)與恒值信號送風(fēng)下不同送風(fēng)方式的氣流特征與排污能力,并結(jié)合乘客熱舒適性,得出以下結(jié)論:

(1) 三角波送風(fēng)信號使客艙內(nèi)的空氣流動性得到增強,湍流強度變化更大,更有利于客艙內(nèi)污染物的排出。與恒值送風(fēng)信號相比,三角波送風(fēng)信號時側(cè)壁送風(fēng)、天花板送風(fēng)、混合送風(fēng)方式下客艙內(nèi)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低了5.2%,8.7%,6.5%。其中三角波混合送風(fēng)方式下客艙內(nèi)NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低;

(2) 3種送風(fēng)信號下,三角波混合送風(fēng)方式時C*最低,分別比正弦信號和恒值信號低1.5%,4.6%;

(3) 將恒值信號送風(fēng)改為三角波信號送風(fēng),3種送風(fēng)方式下DR值均小于20%,符合ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)。