客舱供风初步设计与分析

陈 鹏，谢 平，祝 刚

(空军第一航空学院，河南 信阳 464000)

飞机飞行过程中，客舱中气流组织通过机上空气分配系统进行控制。经过制冷、加温系统以及温度控制系统调节处理好的空气由供气口送入客舱、与舱内空气进行热质交换后，经排气口排出。空气不断地进入与排出引起了舱内空气的流动，形成了舱内的速度场与温度场，从而直接影响着舱内人员的热舒适感［1］。工程实践中，为保证客舱内的舒适性，在送风量一定的情况下，通过改变供、排气口的数量、位置以及截面尺寸等对送风系统进行调整，可以调节舱内流场，改善舱内舒适性。为评定送风系统的性能，通常要对客舱气流组织进行实验及数值模拟与计算，随着计算机技术及数值计算技术的发展，在飞机设计前期利用数值模拟计算指导后续的设计与实验已成为一种普遍的做法，相关文献等的计算与分析也表明，客舱气流组织数值模拟，可以较准确地反映舱内的空气流场，能有效地指导舱内空气分配系统的设计［2－3］。基于此，文章利用商业CFD软件对某支线客机客舱气流组织进行了数值模拟，总结分析了不同空气分配方案对舱内流场的影响，为该型客机客舱气流分配系统的设计提供了依据。

1 计算模型与方法

1.1 几何模型与网格划分

飞机客舱区域本身较大，舱内乘客多且每名乘客的的尺寸特征也不相同，这都导致客舱中的环境复杂，若直接对全尺寸客舱进行计算，网格数量多，计算量大，也必然导致计算周期加长。为减少计算量，对计算区域进行简化处理。考虑到客舱内气流流动具有周期性和对称性，计算中选择其中一段客舱进行计算，该段客舱包括过道一侧的四排人与座椅，过道另一侧及座椅前后采用对称属性处理，计算区域前后的舱段采用周期性条件处理。除计算区域外，对乘客的几何模型也进行了简化，并使所有乘客保持相同姿势，简化后所选取的计算区域及人椅模型如图1所示。

图1 客舱截图

模型中，送风系统采用上送下回的供气方式，送风口为格栅式，包括天花板上的顶送风口和侧壁上部的侧壁送风口，空气由顶送风口和侧壁送风口横向吹入客舱，出风口设在侧壁下方靠近腿部的地方。

客舱气流流动为低雷诺数粘性湍流流动，其网格划分质量对于计算结果有很大的影响，与非结构网格相比，结构化网格对粘性流体计算更具优势，其网格生成速度快，质量好，收敛速度快，计算结果更精确，为此文中采用了结构网格。

客舱结构网格的生成，其关键是人体、座椅表面及舱体表面附近两个壁面附件的网格加密问题，其解决方法是通过两个O网格实现各表面的加密，其中一个O网格在舱体表面，另外一个O网格在所有人、椅表面生成。利用O网格加密后，人椅表面附近的网格如图2所示。

图2 人体表面加密网格图

1.2 数学模型与边界条件

客舱内空气流动计算控制方程为N－S方程，湍流模型采用RNGk－ε二方程模型［4］。所用到的N－S方程及k－ε方程如下:

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

k方程:

ε方程:

客舱气流流动，可认为是粘性不可压流体的低速、定常湍流问题，计算过程中空气密度不变，选用系统默认常数。计算设定的边界条件主要包括:(1)客舱对称面、前后截断面设置为对称面。其中客舱对称面处速度及各变量的变化梯度为0;前后两个截断面的流场分别与前后的流场形成周期变化关系。(2)舱体各壁面、座椅及人体表面均视为绝热表面，采用壁面无滑移边界条件，表面温度均设置为303.15K(30℃)。(3)送风口采用速度入口，其入口温度均为275.15K(2℃)。根据客舱内气流速度的一般要求，选取2.5m/s至5m/s间的若干组送风速度，对单独的天花板送风及天花板与侧壁混合送风的送风两种送风方式分别进行了计算与分析。(4)出风口按一般地面工作条件处理，设为自由流出口。

图3 供风速度2.5m/s时温度、速度分布图

2 计算结果与分析

根据要求，首先对天花板送风方式进行了计算［5］。从计算结果来看，在一定送风速度下，前后各排座椅附近的流场相似，以流速2.5m/s为例，计算区内第二排座椅处的截面的温度及速度分布分别如图3所示。从图中可以看出，客舱内流场有以下特点:(1)气流进入客舱后，气流沿主要沿侧壁和过道方向扩散，流经座椅上方的气流较少，并因此在座椅上部形成一个明显的回流区。回流区内，温度较高，且温度向回流区中心呈递增趋势;(2)从速度分布来看，气流在客舱内的速度变化较明显，在客舱过道附近及腿部出口附近，气流速度较大，特别是客舱过道附近明显大于其它地方。(3)由于靠近过道一侧的乘客头部位于回流区内，因此其头部附近换热效果较差，温度较高，与座椅附近其它部分的温差较大，可达3℃以上。

客舱气流的供气速度一般介于2.5m/s至5 m/s之间，为便于比较，选取了多组供风速度进行计算。从计算情况来看，在相同送风量下，各工况虽然供风速度不同，但流场内的温度及速度分布大体上是相似的，供风速度为5m/s时舱内的温度及速度分布图如图4所示，与图3相比，其主要区别在于:(1)由于气流速度增加，换热系数下降，流场内温度总体上升，温度场的变化较图3中更均匀。(2)由于供风速度增加，流场内各处的气流速度也明显增加，超过一般要求的0.2m/s，部分地方超过0.33m/s，会使乘客产生穿堂风的感觉。

从图3和图4中的温度分布图来看，增加供风速度有利于提高温度场的均匀度，但一来其效果并不十分明显，二来整个流场气流速度的增加会减小乘客的舒适度。为此又对天花板和侧壁混合供风的工况进行了计算。

图4 供风速度5m/s时温度、速度分布图

图5 天花板带侧壁混合供风时温度、速度分布图

图5是顶部送风速度为3.3m/s、侧壁送风速度为2.5m/s时流场的温度、速度分布图。从图中可以看出，与前面两种工况相比，加入侧壁送风后，侧壁及回流区附近的气流混合更为充分，温度场和速度场更加均匀，且人体附近的风速也得到了有效的控制，相比较之下该工况下，乘客的舒适性更好。

3 结论

通过改变客舱送风系统的供风速度及供风方式，对某型支线客机客舱的气流组织进行了分析，结果表明:(1)采用天花板送风方式，在相同空气流量下，不同送风速度在舱内形成的温度场和速度场分布形式相似，速度较小时人周围的流速较低，形成的负荷较小，但不利于带走局部负荷。速度较大时人周围的流速较大，特别是过道的流速过大，会降低乘客的舒适性;(2)采用天花板结合侧壁送风方式能够有效地限制空气的流速，并保证流场内的温度场和速度场各均匀，能够有效地改善客舱内的舒适性。相关的计算结果能够为客舱送风系统的设计提供相关的依据。

［1］寿荣中，何慧珊.飞行器环境控制［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［2］Tengfei Zhang，Qingyan Chen.Novel air distribution systems for commercial aircraft cabins［J］.Building and Environment，2007，(4).

［3］Fred A，Mathew J.W and Dipankar C.Numerical Analysis of Airflow in Aircraft Cabins［R］.SAE －911411 .

［4］陶文铨.数值传热学 (第二版)［M］.西安:西安交通大学出版社，2006.

［5］王福军.计算机流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.