客机座舱新型个性座椅送风系统的数值仿真

孙贺江，李卫娟，杨 斌

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401)

目前，世界上每年都有超过十亿人乘坐飞机．调查表明，座舱内有大约25%的乘客对座舱内的热环境表示不满意[1]．近几年爆发的大型传染病也有很多是通过座舱环境传播的，所以一个舒适健康的座舱环境非常重要．本研究提出了一种新型的个性送风方式，以解决乘客的舒适健康问题．

个性送风是一种将新鲜空气直接送到人体呼吸区域的送风方式，在人体周围形成一个微环境来阻隔外界的影响[2]．个性送风系统在建筑中的应用已进行了很多研究[3-7]，近几年人们开始研究个性送风在大型客机中的应用．通过数值模拟方法对混合通风、置换通风和个性座椅通风进行的研究显示，个性送风系统下人体呼吸区域的二氧化碳浓度、风速和温度是3种送风方式中最低的[8]．通过个性送风可以保护乘客不受邻近其他乘客引起的不良气流的影响，同时可以通过提高个性送风的空气相对湿度来提高乘客周围区域的空气相对湿度[9]．通过实验和调查问卷对个性座椅送风进行研究发现，当室温超过24,℃时个性送风的效果会更加明显；当室温超过26,℃时，个性送风低于室温2～3,℃可提高乘客热舒适感；调节送风口角度可以提高人体吸入空气的品质[10]．通过研究一种新型个性座椅送风系统表明，个性送风可以有效地控制污染物的传播，并且不会引起较大的吹风感[11]．

通过上述研究可以看出，个性送风系统可以提供给乘客高品质的空气和舒适的微环境，但是对于乘客的整体舒适性和局部热舒适性没有给出具体的评价指标及结果．基于以上对个性送风系统的研究，本研究提出一种新型的个性座椅送风系统，以解决人们对热舒适的要求．个性送风系统对乘客的不同部位采用分别控制的方法．送风系统单独使用，不与其他送风系统混合使用．

1 研究方法

随着计算机的不断发展，计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)的应用越来越普遍．本研究采用RNG k-ε 湍流模型[12]对客机座舱的流场和温度场进行预测．在计算前，首先采用一个简化的座舱模型对计算方法进行验证[13]．该模型是根据双通道半舱满员座舱简化而来，包含了座舱气流组织中典型的射流和热羽流现象．测量实验由美国普渡大学机械工程学院完成．

图1为简化座舱的几何模型．模型几何尺寸为2.44,m × 2.44,m × 2.44,m ．箱 子 尺 寸 为 1.22,m ×1.22,m×1.22,m，置于房间的中心．送风口为条缝，0.03,m×2.44,m．回风口尺寸为0.08,m×2.44,m．送风量为0.1,m3/s，送风温度为22.2,℃．中间箱体的散热量为700,W，其他壁面均为绝热壁面．实验测量断面为两个中心断面．测点间距为等间距(0.15,m)．实验还选取了10 个位置进行实验与数值计算结果的比较，如图2 所示．

图3为实验与模拟的流场比较．使用超声波风速仪测量速度，受仪器尺寸的影响，在贴近壁面处无法布置测点，实验没有测量到贴近壁面射流区的情况．但是实验测量结果还是能够反映出射流现象和整个流场的流动趋势．从图中可以看出，模拟结果和实验结果有相似的流场形式，数值计算能准确地预测出流场的射流、回流和热羽流特点．图4 为位置2 的速度和温度比较．其他位置的对比结果与该位置相似．从图中可以看出，数值模拟结果与实验结果在数值大小和趋势上都有很好的重合性，可见数值模拟方法可以准确地预测出这种封闭空间的主要流动特点．因此，这种数值方法用来预测真实座舱模型的流场情况也是可信的．

图1 简化座舱模型Fig.1 Schematic of a simplified cabin

图2 测点位置分布Fig.2 Positions of compared points

网格生成工具采用ANSYS Icem 软件，采用四面体网格．由于个性送风系统比混合送风要复杂，生成的网格数量也不同，混合送风模型生成的网格数量为500×104，个性送风模型生成的网格数量为600×104．计算工具采用ANSYS Fluent 软件，计算湍流模型采用RNG k-ε模型，压力与速度耦合方式采用SIMPLE 算法．空间离散方法中，压力采用Second Order，其余采用Second Order Upwind．各项残差均达到1×10-3以下，其中动能项的残差达到1×10-6以下，计算结果已稳定．

图3 实验结果与模拟结果的流场比较Fig.3 Comparison of flow field between experiment result and simulation result

图4 实验结果与模拟结果的速度和温度比较Fig.4 Comparison of velocity and temperature between experiment result and simulation result

本研究对传统混合送风方式和个性座椅送风方式的气流组织分别进行了数值模拟．采用的几何模型为3 排单通道满员的座舱模型，共有18 名乘客．图5 所示为传统混合送风方式和个性座椅送风方式的座舱几何模型．

图5(a)为混合送风方式，座舱模型的行李架附近有2 排对称的送风口，在座舱侧壁下方有2 排对称的回风口．送风由新风和回风组成，其中新风量为每座5,L/s，回风量为每座5,L/s．图5(b)为个性座椅送风方式下单个座椅的几何模型．个性座椅的扶手处和底部均设置有送风口，扶手送风口送出的为新风，送到乘客上半身及呼吸区域，负责带走乘客上半身的热量并提高呼吸区域的空气质量，送风量为每座5,L/s；座椅底部送风口送出的为温度较高的回风，保护乘客脚部不受冷地板的影响，送风量为每座5,L/s.回风口设置在座舱行李架侧．两种送风方式的边界条件如表1 所示．Fluent 计算时将送风口的边界条件设置为 velocity-inlet ，回风口的边界条件设置为pressure-outlet．座舱前后壁面和座椅设置为绝热壁面，其他壁面为温度壁面，具体温度见表1．座舱内设计温度为24,℃，热源包括人体和灯两部分，其他壁面均为冷壁面．

图5 座舱送、回风系统结构示意Fig.5 Schematic of supply and return air systems

表1 两种送风方式的边界条件Tab.1 Boundary conditions of the two air distribution systems

2 研究结果

图6所示为混合送风方式下流场的流线．从图中可以看出，高速气流从送风口出来后沿行李架贴附射流，两侧气流在座舱上侧相遇后下降．一部分空气回流经过人体周围并带走人体的热量，另一部分空气直接流经人员脚部并从回风口排出．图7 所示为个性座椅送风方式下流场的流线．从图中可以看出，新鲜空气从扶手送风口出来后直接到达人体呼吸区域，能有效避免交叉感染．新鲜空气经过人体上半身区域后，一部分直接从上部排风口排出，一部分在座舱内循环．从底部送风口出来的再循环空气经过乘客脚部后受热浮力影响上升，一部分经排风口排出，一部分在座舱内循环．

图6 混合送风方式下流场的流线Fig.6 Flow streamlines in mixing air distribution

图7 个性座椅送风方式下流场的流线Fig.7 Flow streamlines in personalized air distribution

为了定量地分析乘客区域的气流组织，本研究选取了3 条线来代表3 个不同位置的乘客．图8 为3条线的位置，每条线又分为2 段．上半段线代表乘客上半身区域，从腰部到头部靠上，高度范围为0.5～1.3,m，y 方向上距离头部0.1,m；下半段线代表乘客腿部区域，从脚踝到膝盖，高度范围为0.1～0.5,m，y方向上与上半段线距离为0.4,m．通过分析3 条线上的速率和温度情况，来分析座舱内乘客的热舒适情况．

图8 3条代表线的位置示意Fig.8 Locations of the three representative lines

图9所示为两种送风形式下3 条代表线的速度比较．两种送风形式下的速度分布都符合ASHARE 161[14]的要求(＜0.3,m/s)．Line 1 中混合送风形式下乘客腰部和膝盖部分风速较大，容易引起吹风感．个性座椅送风系统的速度要低于混合送风，且风速分布均匀．这是由于个性座椅送风的送风口较分散且送风速度低．图10 所示为两种送风形式下3 条代表线的温度比较．从图中可以看出，在人体腰部区域由于有空气滞留原因温度较高，其余部分温度较均匀．其中个性座椅送风系统的温度要高于混合送风．这是由于个性送风的送风温度较高．个性座椅送风使大部分区域都在24～26,℃，有效提高了腿部周围的温度，消除了冷地板的影响．

为了进一步定量分析两种送风系统形式的舒适性，本研究采用多个舒适度指标评价两种送风方式．包括预测平均反应(PMV)、预期不满意百分率(PPD)、吹风引起的不满意率(DR)和垂直温差引起的不满意率(PD)．

PMV 与PPD 用来评价乘客的整体热舒适，吹风引起的不满意率(DR)和垂直温差引起的不满意率(PD)用来评价乘客的局部热舒适．其中，吹风引起的不满意率主要针对头部区域和腿部区域这些敏感部位，垂直温差指的是头部与脚部的温差．表2 列出了两种送风形式下各舒适度指标的具体数值以及标准要求[15]．

ASHARE161[14]中规定座舱温度为18.3～23.9,℃.混合送风形式下座舱温度满足此要求．但是从表2可以看出，混合送风的PMV 低于标准[15]要求的－0.5，PPD 也超过了要求的10%．乘客在此温度下会感觉偏凉且不舒适．个性送风形式下座舱温度也满足此要求，且满足PMV 和PPD 的标准要求；但是PMV 也是负值，说明座舱环境也处在偏凉的范围．

与整体热舒适相比较，座舱环境的局部热舒适还是很令人满意的．座舱环境的整体空气速度很低，大部分区域的空气速度小于0.1,m/s．从表2 可以看出，两种送风方式的吹风不满意率都符合标准[15]要求，其中个性座椅送风的吹风不满意率要比混合送风低很多．两种送风方式的垂直温差不满意率也都符合标准[15]要求，其中个性座椅送风的垂直温差不满意率比混合送风稍低．这说明两种送风形式下人体周围的环境温度很均匀，不存在较大温度分层．

图9 两种送风方式下人体周围速率分布比较Fig.9 Comparison of air velocity distributions surrounding passengers under two air distribution systems

图10 两种送风方式下人体周围温度分布比较Fig.10 Comparison of air temperature distributions surrounding passengers under two air distribution systems

表2 两种送风方式下各舒适度指标的具体数值以及标准要求Tab.2 Comfort benchmarks and indices of the two air distribution systems

通过对两种送风形式的综合比较，可以发现，相比于混合送风形式，个性座椅送风提供了一个空气速度低、温度均匀且各项舒适度指标均符合标准要求的座舱环境．

3 结 语

本研究对一种新型个性座椅送风系统进行了数值仿真研究，并与传统送风系统在速度、温度和舒适度指标上进行了比较．为了满足乘客不同部位的热舒适要求，个性座椅送风系统针对乘客不同部位分别设置了送风口，不同送风口还设置了不同的送风温度．针对乘客上半身区域，提供温度较低的新鲜空气；针对乘客下半身区域，提供温度较高的再循环空气．研究结果表明：①个性座椅送风系统能为呼吸区域提供干净的全新风，提高新风利用效率；②个性座椅送风系统分散的送风口布置能有效降低乘客周围的风速，降低吹风感；③个性座椅送风系统能使乘客大部分都在24～26,℃的舒适区，且有效提高了腿部周围的温度，消除了冷地板的影响；④个性座椅送风系统能够获得令人满意的舒适度，提高整体热舒适和局部热舒适．

综合考虑速度、温度、舒适性和健康性因素，个性座椅送风系统提供了一个更好的座舱环境．

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