MD-82飞机客舱环境流场的HWA测量与分析

王 维，姜 楠，曹晓东，沈 忱，刘俊杰

(1. 天津大学机械工程学院，天津 300072；2. 天津市现代工程力学重点实验室，天津 300072；3. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

MD-82飞机客舱环境流场的HWA测量与分析

王 维1,2，姜 楠1,2，曹晓东3，沈 忱3，刘俊杰3

(1. 天津大学机械工程学院，天津 300072；2. 天津市现代工程力学重点实验室，天津 300072；3. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

使用热线测速技术以高于湍流最小时间尺度的分辨率，精细测量了MD-82飞机客舱环境中的条缝型送风口射流流场和个性化送风口射流流场．对流场的平均速度剖面、湍流度分布、湍能谱进行了分析．平均速度的变化揭示了离开出口后流场速度的衰减规律．湍流度表明了湍流流场脉动剧烈程度和湍流扩散发展规律，是各种尺度的脉动分量叠加的结果．对流场的湍能谱分析展现了惯性子区的存在，能量从大尺度的含能区通过惯性子区传递给小尺度结构并最终耗散为热能．

湍射流；热线测速技术；湍能谱；机舱环境

射流是指流体从各种形式的孔口或喷嘴射入同一种或另一种流体的流动．众多学者[1-4]也对各种出口的射流进行了大量的研究，发现射流有着很强的混合与卷吸周围流体的能力．在封闭高速运输工具舱室空间(例如大型民用客机座舱和高铁客厢)中，空调环控系统通过布置送、排风口合理分配新鲜空气，形成特定的气流组织形式，保证乘客的呼吸需要和热舒适等健康需要．大型民用客机环控系统需要提供的客舱通风量约是每位乘客10,L/s，处理过的新鲜空气通过送风口送入客舱，形成自由射流．自由湍射流是自然界和工程技术中广泛应用的流动形态，例如内燃机燃烧室中燃料的喷射过程、喷气发动机中气体的喷出和射流清洗等．研究自由湍射流中流体的形态结构不仅是湍流基础研究的前沿课题[5-6]，而且对解决工程技术中的有关问题具有重要意义[7-8]．民用客机送风口的自由湍射流具有特殊性，座舱里有布置在两侧或顶棚的集中空调系统的送风口(一般是条缝型)，也有布置在乘客头上的可调圆形个体送风口；集中送风口一般是一种低速、强烈脉动的流动，但是个体风口一般是高速脉动的气流形式．

本文使用谱分析[9-11]研究客机座舱里的侧壁面和座位上方的两种送风口下的湍射流流场中的湍流结构统计特性，利用湍流结构的自相似性，得到湍流结构之间的能量传递规律．对于存在强剪切和大尺度相干结构的射流流体和环境静止流体交界处的自由射流边界层中的湍流结构特性目前还缺乏深入的研究，开展这方面的研究不仅对于揭示剪切湍流中大小尺度之间能量传递的规律具有重要意义，而且对于解决工程技术中的湍流大小尺度结构控制问题具有重要的参考价值．

1 实验装置和测试技术

本文的目的是测量MD-82飞机(如图1所示)的客舱送风口射流在客舱环境流场中的发展演化．实验使用美国TSI公司生产的IFA300恒温式热线风速仪进行流场的测量(如图2所示)．IFA300恒温热线风速仪是一种计算机控制的具有自动频率最佳化功能的热线风速仪，允许风速仪连续地感受流动速度并自动地调整动态响应，能够实时地实现最佳化频率响应．IFA300恒温热线风速仪的主要特点表现在：操作简便；SMARTTUNE最佳化电桥补偿自动锁定最佳的采样频率，不需要在实验前做方波实验；频率响应范围宽，最高可到700,kHz，能够分辨湍流中的最小尺度；测量速度范围广，从每秒几厘米到几十米；用途多，更换几个配件，就能测量流场的温度信号等.

图1 实验平台MD-82飞机Fig.1 Experimental platform MD-82 airplane

图2 IFA300热线风速仪Fig.2 IFA300 hot wire anemometer

在流场中放置通过电流的金属丝敏感元件(见图3)时，由于电流的热效应金属丝会产生一定的热量，它在与周围流场的热交换过程中，流体流速的变化导致敏感组件的温度变化，继而引起其电阻的变化．在一定电路的配置下，可以建立起流体速度与电信号的对应关系．这样就可以通过测量热线的电压来确定流体的速度，这就是热线风速仪的工作原理．

图3 单丝热线探针Fig.3 Monofilament hot wire probe

在热线测量速度的过程(见图4)中，热线探针感受流场速度的变化，产生电压的改变，热线风速仪将改变的电压通过Wheatstone电桥电路采集下来，A/D数模转换器将电压模拟信号转换成数字信号传给采集卡，将电压以离散的数字信号记录到电脑硬盘中，再通过配套的Thermalpro软件按照标定文件的电压和流速的关系曲线将电压信号最终转换为速度信号，提供给实验后处理和分析．

图4 采集过程流程Fig.4 Acquisition process flow chart

实验分别测量了机舱中侧边面的条缝型送风口流场和座位正上方的圆形个性化送风口流场，其中侧壁面的测量现场如图5所示．

图6和图7分别是侧壁面送风口和个性化送风口射流流场测量位置的示意．侧壁面送风口边界形状是有曲率的一段圆弧，随着弧的弯曲方向测量了3个位置，距离圆弧出口为r=3,mm，然后在弧的中心B′处沿流向测量了4个位置．个性化送风口射流出口沿轴向测量了6个位置，其中在3个轴向位置处测量沿径向分布的3个位置，分别是圆心、R/2和R外．两次测量中，采样频率均为50,kHz，每个空间点采集4,194,304个数据，耗时84,s．有在文中给出)．

图5 送风口流场实验测量配置Fig.5 Experimental measurement configuration of slit flow

图6 侧壁面测量示意Fig.6 Sidewall measurement schematic diagram

图7 个性化送风口射流测量示意Fig.7 Personalized jet measurement schematic diagram

图9 是与图8中相同位置的4个点处的湍流度Tu分布，曲线是拟合的结果．图中的湍流度沿径向向下游不断增加，表明流体从狭长的弧形缝中射出，在与周围静止的流体交界处不断地发生掺混和动量交换．随着湍流向下游扩散，这种动量交换扩散的区域越来越大．图8和图9表明，流体动能从平均运动向湍流脉动运动的传递使湍动能增大，平均运动的动能减少．

图8 侧壁面出口沿流向速度剖面Fig.8 Sidewall outlet streamwise velocity profile

图9 侧壁面出口沿流向湍流度剖面Fig.9 Sidewall outlet streamwise turbulence intensity profile

图10 是采用热线测量的流向瞬时速度信号随时间演化过程的一个时间序列样本．湍流场中每时每刻都充满了加速和减速的快速脉动跳跃，变化的时间间隔非常短暂，频率很高．为了清楚地显示出高频小尺度湍流脉动的细节，图中只给出了0.20,s时长的一小段信号．

2 热线测量结果及分析

2.1 侧壁面送风口

图8是侧壁面送风口中心B′处沿流向3,mm、8,mm、13,mm、20,mm处4个位置的平均速度分布，图中黑方块是实测速度，直线是线性拟合的结果．可以看出，沿流向远离出口，速度呈现线性衰减．而距离送风口同样距离的A′、B′、C′ 3点测量结果表明平行于弧形出口的曲线上速度几乎一致(数据结果并没

图10 速度信号示例Fig.10 Velocity signal example

图11是侧壁面流场沿径向对D′、E′和F′ 3个点进行的湍能谱分析，图中虚线表示的是Kolmogorov在1941年提出的湍能谱中惯性子区的-5/3斜率，可以看到实验信号的惯性子区在100,Hz以上，提示如果对此湍流场进行大涡模拟，则计算的时间尺度不应大于0.01,s．沿着径向，速度在降低，表示能量的能谱曲线下围成的面积也在变小．-5/3斜率标识的惯性子区的尺度范围随下游慢慢向大尺度一段移动，说明越向下游方向，流场中小尺度部分耗散得越快，含有和传递能量的区域越来越小，湍流脉动的总动能也在逐渐衰减．

图11 侧壁面出口沿流向的湍能谱Fig.11 Sidewall outlet streamwise turbulence energy spectrum

2.2 圆形个性化送风口

飞机机舱中的个性化送风口外观如图12所示.图13是个性化送风口射流流场沿轴向x=0.4R(A)、1.5R(D)、2R(E)、3R(H)、4R(I)和6R(L)(R=10,mm)处的平均速度分布，直线是线性拟合的结果．远离射流出口，中心线上的速度呈现线性衰减的规律．

图12 个性化送风口外观Fig.12 Schematic of personalized jet

图13 个性化送风口射流沿轴向平均速度剖面Fig.13 Mean velocity profile in axial direction of personalized jet flow

图14 是与图13相同的6个轴向位置上的湍流度分布，曲线是拟合的结果．向下游发展的过程中，中心线上的速度减弱表明了动量交换的频繁，引起动量向周围的扩散，各种尺度的湍涡大量出现，带来更加快速的脉动，流体动能从平均运动向湍流脉动运动的传递，使湍动能增大，平均运动的动能减少．

图14 个性化送风口射流沿轴向湍流度剖面Fig.14 Turbulence intensity profile in axial direction of personalized jet flow

图15 是对个性化送风口射流流场轴向上H、I和L,这3个点的湍能谱分析．可以看到，相比于侧壁面流场，个性化送风口射流的流速比较大，所以雷诺数较大，湍流发展得更加充分，惯性子区的范围要更加明显，惯性子区大约在2,000,Hz开始出现，提示如果对此湍流场进行大涡模拟，则计算的时间尺度不应大于0.000,5,s．在更高的雷诺数下，流场的尺度范围要更宽，意味着湍流时间尺度更小、频率更高．

图16是个性化送风口射流中分别在轴向x= 0.4R、2R和4R处测量径向为0、0.5R和R 3个径向位置上的平均速度分布，图中的曲线是拟合结果．运动的流体从个性化送风口喷出，径向上与周围静止的流体发生动量的交换，带动了周围流体的运动，引起湍流不断向周围和下游扩散．个性化送风口的特殊结构使得流速沿径向衰减很快，与通常标准圆出口湍射流不同．

图15 个性化送风口射流出口沿径向的湍能谱Fig.15 Turbulence energy spectrum distribution in radial direction of personalized jet flow

图16 个性化送风口射流沿径向平均速度分布Fig.16 Mean velocity profiles in radial direction of personalized jet flow

图17 是与图15相同的3个轴向位置沿径向的湍流度分布．在径向上，通常标准圆出口湍射流在出口处射流边界R处的湍流度最高，而个性化送风口是处于0.5R处的湍流度最高，表现出此处湍流场最混乱．这是由于送风口处的特殊结构引起的，而在外边界上更多的是大尺度的湍涡卷吸周围环境静止的流体，使湍流度不断增高，湍流向下游不断扩散，使得湍流度在轴向上也不断增高，而在径向上湍流度分布趋于更加均匀．

图17 个性化送风口射流沿径向湍流度分布Fig.17 Turbulence intensity profiles in radial direction of personalized jet flow

图18 个性化送风口射流沿径向湍能谱(2R)Fig.18 Turbulence energy spectrum in radial direction of personalized jet flow(2R)

图19 个性化送风口射流沿径向湍能谱(4R)Fig.19 Turbulence energy spectrum in radial direction of personalized jet flow(4R)

图18 和图19分别是个性化送风口射流流场在轴向x=2R和4R处径向上3个位置的湍能谱．径向上从中心往外边界移动，能谱曲线衰减，小尺度比大尺度衰减得更快．在径向1R的点上，能谱整体下移，是由于此处处于运动和静止流体动量交换频繁的边界区域，传递给静止流体的速度降低了流体的动量和动能．

3 结 语

MD-82机舱环境中侧壁面条缝型送风口和圆形个性化送风口射流流场的热线测量和分析，揭示了离开出口后速度的衰减规律．湍流度表明了湍流流场的混乱和活跃程度，不同位置的湍流度是湍流脉动的多尺度叠加的结果．对流场的湍能谱分析展现了惯性子区的存在，能量从大尺度的含能区通过惯性子区传递给小尺度结构并最终耗散为热能．湍能谱的衰减和惯性子区范围的变化暗示了小尺度在向下游运动过程中的衰减．对侧壁送风口湍流场进行大涡模拟，计算的时间尺度不应大于0.01,s；对个性化送风口湍流场进行大涡模拟，计算的时间尺度不应大于0.000,5,s．

致 谢：美国波音公司对本研究项目提供了部分资助．

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HWA Measurement and Analysis of MD-82 Aircraft Cabin Environment Flow Field

Wang Wei1,2，Jiang Nan1,2，Cao Xiaodong3，Shen Chen3，Liu Junjie3
(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Modern Engineering Mechanics，Tianjin 300072，China；3. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The slit jet flow and personalized jet flow in the MD-82 aircraft cabin environment are finely measured by constant-temperature anemometry system with the resolution higher than the smallest time-scale of turbulence. Mean velocity profiles，turbulence intensity distributions and turbulence energy spectrum are analyzed. The variation of mean velocity reveals the decaying of the velocity beyond the outlet. Turbulence intensity evolutions indicate that the degrees of fluctuations are the result of the superimposition of many fluctuations with different scales. The turbulence energy spectrum shows that the inertial sub-range exists. The energy from the energy-containing large scale is cascaded to the small scale through the inertial sub-range，which is finally dissipated into heat.

turbulent jet flow；hot-wire anemometry；turbulence energy spectrum；aircraft cabin environment

V223；O358

A

0493-2137(2013)01-0002-06

2012-09-04；

2012-10-11.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB720100)；国家自然科学基金资助项目(10832001，11272233)；中国科学院力学研究所非线性国家重点实验室对外开放课题联合资助项目．

王 维（1986— ），男，博士研究生，wangwei081@yahoo.cn.

姜 楠，nanj@tju.edu.cn.