尚文錦，劉桐宇，李英斌，馮紅旗，史寶魯

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

0 引言

天宮空間站T 字構(gòu)型建成后，將長(zhǎng)期作為我國(guó)航天員在軌工作與生活的主要場(chǎng)所，其中夢(mèng)天艙作為航天員進(jìn)行在軌空間試驗(yàn)、載荷出艙的核心艙段，密封艙內(nèi)部的流場(chǎng)分布狀況，將直接影響航天員在軌的安全性與舒適性，進(jìn)而影響工作效率與生活質(zhì)量。與地面環(huán)境不同，在微重力環(huán)境中，氣體的自然對(duì)流基本停滯，必須采用強(qiáng)迫通風(fēng)對(duì)流的方式，才能保證空間站人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)分布；同時(shí)，空間站內(nèi)部空間相對(duì)狹小且封閉，必須優(yōu)化密封艙內(nèi)氣體的流速分布，才能保證航天員的安全性與舒適性。本文旨在分析夢(mèng)天艙人員活動(dòng)區(qū)通風(fēng)流場(chǎng)，并通過流場(chǎng)試驗(yàn)與仿真的方法對(duì)其進(jìn)行研究。

目前，對(duì)于空間站內(nèi)部流場(chǎng)的研究，主要集中在仿真計(jì)算，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。例如，國(guó)內(nèi)學(xué)者姬朝玥、鄭忠海等［1-3］分析了在不同流量和送風(fēng)角度等條件下的空間站流場(chǎng)分布。朱學(xué)良等［4-6］建立了簡(jiǎn)化的三維空間站模型，并將多種不同送風(fēng)角度下的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還針對(duì)航天員睡眠區(qū)等狹小區(qū)域內(nèi)的通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行了研究。其中，付仕明等［7］針對(duì)發(fā)生故障時(shí)航天員睡眠區(qū)內(nèi)CO2的分布情況進(jìn)行了研究。徐浩等［8］對(duì)空間站睡眠區(qū)不同送風(fēng)角度進(jìn)行了研究。劉桐宇等［9］對(duì)空間站睡眠區(qū)不同送風(fēng)位置進(jìn)行了研究。國(guó)外學(xué)者CHANG 等［10-11］也對(duì)航天員睡眠區(qū)的CO2分布情況進(jìn)行了研究，同時(shí)完成了整個(gè)空間站的氣流分布模擬研究。本文通過夢(mèng)天艙實(shí)際流場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了仿真模型的有效性，并引入舒適速度比例、吹風(fēng)感作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步對(duì)航天員在軌安全性與舒適性進(jìn)行分析，對(duì)優(yōu)化我國(guó)空間站通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 通風(fēng)流場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在真實(shí)布局的夢(mèng)天結(jié)構(gòu)熱控艙內(nèi)進(jìn)行，測(cè)量范圍為航天員活動(dòng)區(qū)，活動(dòng)區(qū)截面如圖1 所示，可近似為邊長(zhǎng)為2 000 mm 的正方形區(qū)域。共選取19 個(gè)截面，每個(gè)截面25 個(gè)點(diǎn)位，依次進(jìn)行測(cè)量，如圖2 所示。測(cè)量時(shí)為避免人活動(dòng)區(qū)壁面及突出物對(duì)測(cè)量干擾，邊緣測(cè)量點(diǎn)位距離壁面不小于200 mm。由于艙內(nèi)各個(gè)點(diǎn)風(fēng)向的不確定性，測(cè)量時(shí)應(yīng)選用全向式風(fēng)速傳感器，綜合考慮艙內(nèi)空間限制等原因，選用熱球風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量。

圖1 夢(mèng)天艙剖面Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the Mengtian lab module

圖2 夢(mèng)天艙截面位置Fig.2 Schematic diagram of the cross-sectional positions of the Mengtian module

根據(jù)試驗(yàn)得出，熱球風(fēng)速儀方向特性如圖3 所示，熱球傳感器的水平方向指向性表明水平方向的角度變化不影響風(fēng)速測(cè)量結(jié)果；垂直方向的指向性表明氣流方向在與熱球傳感器水平面±45°的范圍內(nèi)的測(cè)量誤差很小，而偏離這個(gè)范圍時(shí)測(cè)量得到的風(fēng)速則偏小，因此對(duì)艙內(nèi)任一個(gè)空間點(diǎn)，本文采用2 個(gè)熱球傳感器正交測(cè)量，不管這個(gè)空間點(diǎn)上的氣流方向是哪個(gè)角度，總有一個(gè)傳感器與這個(gè)氣流方向之間的夾角在±45°之內(nèi)，因此本文認(rèn)為2個(gè)傳感器測(cè)量得到的較大的風(fēng)速數(shù)據(jù)為該點(diǎn)的實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)。

圖3 熱球風(fēng)速傳感器指向特性Fig.3 Directional characteristics of the hot bulb air speed sensor

為保證艙內(nèi)通風(fēng)強(qiáng)迫對(duì)流為主，需減小自然對(duì)流對(duì)密封艙內(nèi)空氣流場(chǎng)的影響。試驗(yàn)時(shí)艙體為水平放置，減小重力方向的空間尺寸，從而減小重力方向上的自然對(duì)流。另外，為減小因溫度梯度帶來的自然對(duì)流，除與通風(fēng)系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)備部件以外，其他設(shè)備不用電工作。根據(jù)：

式中：Gr為格拉曉夫數(shù)；Re為雷諾數(shù)；g為重力加速度，m/s2；β為空氣特征膨脹系數(shù)，℃；L為航天員活動(dòng)區(qū)特征尺寸，m；Ti為回風(fēng)溫度，℃；T0為空氣特征溫度，℃；U為送風(fēng)口出口特征風(fēng)速，m/s。

若Gr/Re2＜0.1，則可基本忽略自然對(duì)流的條件［12-15］，對(duì)于夢(mèng)天艙來說，式（1）中g(shù)=9.8 m/s2，L=2 m，U=（1.5～2.0）m/s，計(jì)算得出，當(dāng)（Ti-T0）≤（3～5）°C 時(shí)，Gr/Re2＜0.1，考慮一定裕度，同時(shí)參考TG-1 目標(biāo)飛行器通風(fēng)流場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)艙內(nèi)空氣溫度差要求的分析結(jié)果，本次試驗(yàn)過程中控制夢(mèng)天艙人活動(dòng)區(qū)重力方向上的溫度差不大于2 ℃。如果超過2 ℃，需中斷試驗(yàn)，打開艙門，關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，依靠自然通風(fēng)方式使艙內(nèi)溫度差減小，待減小至0.5 ℃以下時(shí)可以重新開始試驗(yàn)。

2 仿真模型

2.1 物理模型

參照夢(mèng)天艙人員活動(dòng)區(qū)真實(shí)尺寸及布局進(jìn)行建模，模型可近似簡(jiǎn)化為矩形，整體尺寸約：8.6 m×2 m×2 m（長(zhǎng)×寬×高）。模型風(fēng)口布局參照艙內(nèi)布局位置，如圖4 所示。

圖4 仿真模型Fig.4 Schematic diagram of the simulation model

2.2 仿真模型

2.2.1 計(jì)算方法

本文采用Standardk-ε模型［16-18］，控制方程通式為

式中：ρ為材料密度，kg/m3；ui為i方向的速度分量，m/s；xi為i方向的坐標(biāo)；Γφ，eff為有效擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為源項(xiàng)，kg/m3·s；t為時(shí)間，s。

當(dāng)φ取值不同時(shí)，式（2）可分別表示連續(xù)性方程、動(dòng)能方程、能量方程、組分運(yùn)輸方程等。

2.2.2 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分時(shí)，風(fēng)口附近不規(guī)則區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，其他區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，為保證網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一性與連續(xù)性，2 種網(wǎng)格間采用采用網(wǎng)格尺寸函數(shù)（Size Function）平滑過渡，圖5 給出了夢(mèng)天艙軸線不同位置處的在不同網(wǎng)格數(shù)下風(fēng)速的比較結(jié)果。由圖5 可知，在不同網(wǎng)格數(shù)下，相同位置的風(fēng)速變化趨勢(shì)基本相同，仿真誤差主要集中在在速度拐點(diǎn)處；通過以上網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，表明299 萬的網(wǎng)格數(shù)足夠滿足仿真需求。

圖5 不同網(wǎng)格數(shù)時(shí)風(fēng)速沿軸線分布曲線Fig.5 Wind speed curves along the X-axis under different grids

圖6 通風(fēng)流場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Test site of the ventilation flow field

仿真工況及邊界條件：

仿真工況為空間站夢(mèng)天艙正常通風(fēng)狀態(tài)，仿真模型采用Standard Wall Function 處理壁面邊界層附近區(qū)域的流動(dòng)，采用Standard Pressure 插值格式對(duì)壓力進(jìn)行離散，采用Second Order Upwind 格式對(duì)剩余參數(shù)進(jìn)行離散。通風(fēng)的邊界設(shè)定：進(jìn)風(fēng)口參數(shù)，艙間送風(fēng)口質(zhì)量流量為1.5 m3/min（等于0.030 625 kg/s），送風(fēng)口質(zhì)量流量為2 m3/min（等于0.040 833 kg/s）［19］，空氣溫度為25 ℃；回風(fēng)口設(shè)置為自由出流。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 舒適速度

舒適速度是指在航天員在軌時(shí)密封艙人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速分布情況。依據(jù)我國(guó)歷次飛行任務(wù)的數(shù)據(jù)反饋，最終選?。?.08～0.50）m/s 作為舒適速度指標(biāo)，其中最低風(fēng)速0.08 m/s 的設(shè)定，主要是為了保證CO2等呼出氣體的擴(kuò)散［20］，最高風(fēng)速0.5 m/s 的設(shè)定，主要是避免航天員暴露在過高風(fēng)速下產(chǎn)生不適；國(guó)外相關(guān)研究顯示，在國(guó)際空間站美國(guó)相關(guān)艙段中，舒適速度指標(biāo)要求在（0.051～0.500）m/s 范圍內(nèi)，且舒適速度整場(chǎng)占比不低于70%，俄羅斯相關(guān)艙段中，舒適速度的指標(biāo)與美國(guó)相同，且要求舒適速度整場(chǎng)占比不低于2/3［21］。綜上所述，舒適速度選取（0.08～0.50）m/s 作為指標(biāo)，人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速在該范圍所占比例越大，流場(chǎng)越好。

3.2 吹風(fēng)感指數(shù)

FANGER［22-23］及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將吹風(fēng)感定義為“由于氣流帶走人體熱量造成的冷作用所導(dǎo)致的局部不滿意，不舒適度”。本文采用ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)與GB/T33658 中的DR模型［24-25］，公式如下：

式中：T為評(píng)價(jià)區(qū)域平均溫度，°C；v為評(píng)價(jià)區(qū)域?yàn)槠骄俣?，m/s；Tu為湍流強(qiáng)度，在10%～60%之間，若未知，一般取40%。DR值越大，人體產(chǎn)生吹風(fēng)感越明顯，一般要求DR＜40。

4 結(jié)果及對(duì)比分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)所繪制的艙內(nèi)不同截面風(fēng)速云圖（如圖7 所示），其中低風(fēng)速區(qū)（＜0.08 m/s）均位于距離壁面較近位置，高速區(qū)域（＜0.5 m/s）主要位于頂部風(fēng)口出口附近。舒適速度占比統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 通風(fēng)流場(chǎng)試驗(yàn)舒適速度占比統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Proportion of the comfortable speed in the ventilation flow field obtained by tests

圖7 艙內(nèi)不同截面試驗(yàn)數(shù)據(jù)云圖Fig.7 Contours of the test Data of different sections in the cabin

試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)速最高的數(shù)據(jù)為0.853 m/s，取正常艙溫24 ℃，計(jì)算最大吹風(fēng)感為DR=28.508。

續(xù)圖7 艙內(nèi)不同截面試驗(yàn)數(shù)據(jù)云圖Continued fig.7 Contours of the test Data of different sections in the cabin

4.2 仿真結(jié)果

艙內(nèi)與試驗(yàn)相同位置截面的風(fēng)速仿真云圖如圖8 所示，與試驗(yàn)結(jié)果類似，其中低風(fēng)速區(qū)（＜0.08 m/s）均位于距離壁面較近位置，高速區(qū)域（＜0.5 m/s）主要位于頂部風(fēng)口出口附近。舒適速度占比統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 通風(fēng)流場(chǎng)仿真舒適速度占比統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Proportion of the comfortable speed in the ventilation flow field obtained by simulations

圖8 艙內(nèi)與試驗(yàn)相同位置截面的風(fēng)速仿真云圖Fig.8 Wind speend contours obtained by simulations

仿真得到風(fēng)速最高為1.25 m/s，在數(shù)據(jù)點(diǎn)為風(fēng)口附近，取正常艙溫24 ℃，計(jì)算最大吹風(fēng)感為DR=37.229。

4.3 對(duì)比分析

對(duì)上述試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，不同特征截面風(fēng)速對(duì)比如圖9 所示。由圖9 中可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)在總體區(qū)域上的一致性較高，高速區(qū)和低速區(qū)在空間上的分布基本一致；通過仿真云圖及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的舒適速度占比統(tǒng)計(jì)對(duì)比，兩者偏差在±5%以內(nèi)，一致性較好，吻合度較高；通過仿真云圖及試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)位風(fēng)速對(duì)比，兩者偏差在±15%以內(nèi)，一致性較好，基本吻合。綜上，可認(rèn)為本文的仿真模型及方法可行且準(zhǔn)確。

圖9 測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of the test（left）and simulation（right）results

對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)在云圖的細(xì)節(jié)區(qū)域和數(shù)值的絕對(duì)量值上存在的偏差，其主要原因?yàn)椋簩?duì)于仿真計(jì)算，仿真的邊界條件與真實(shí)狀態(tài)仍然存在一定偏差，例如，艙體內(nèi)的局部突出物，艙體對(duì)接狀態(tài)，艙壁表面狀態(tài)以及儀器區(qū)面板上的大量開孔等細(xì)節(jié)無法在仿真模型中精確表達(dá)。

上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，仿真結(jié)果有效彌補(bǔ)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)位較少的不足，兩者互相彌補(bǔ)，相輔相成，使得對(duì)夢(mèng)天艙通風(fēng)流場(chǎng)的分析與評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)空間站夢(mèng)天艙進(jìn)行了通風(fēng)流場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值仿真，并對(duì)流場(chǎng)均勻性和安全性、舒適性進(jìn)行了分析和綜合評(píng)價(jià)。主要結(jié)論和建議是：

1）夢(mèng)天艙人員活動(dòng)區(qū)通風(fēng)流場(chǎng)舒適風(fēng)速占比達(dá)92.15%，最大吹風(fēng)感DR=37.229，滿足航天員在軌安全性與舒適性要求。

2）夢(mèng)天艙通風(fēng)流場(chǎng)試驗(yàn)方法準(zhǔn)確，構(gòu)建的夢(mèng)天艙數(shù)值仿真模型，仿真邊界符合實(shí)際工況，評(píng)價(jià)指標(biāo)明確，試驗(yàn)與仿真結(jié)果、分析結(jié)論是可信的，可以指導(dǎo)空間站通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3）本文提出的風(fēng)速測(cè)量方案，流場(chǎng)試驗(yàn)與仿真方法，以及通過選擇舒適速度、吹風(fēng)感指數(shù)等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)航天員安全性與舒適性的方法，也可用于其他載人航天器等類似情況的通風(fēng)流場(chǎng)分析。