载人航天器乘员舱空气龄分布数值仿真及试验研究

苏新明 王晶，2 李西园 张春莹 裴一飞 郄殿福，2

（1 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）（2 北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094）

1 引言

载人航天器乘员舱为航天员提供了生活和休息的空间，由于长期在轨的要求，为了保证航天员能够正常活动，通风系统要在乘员舱内提供均匀的流场分布，并通过空气净化系统不断补充新鲜空气。以往对舱内通风系统的评价指标只有风速分布，但风速大小并不能反映出舱内新鲜空气的供给情况，因此有必要对新鲜空气在舱内的分布情况开展研究，找出新鲜空气供给较差的位置，对于评价和改善舱内通风系统有重要作用。

国外对于载人航天器乘员舱通风系统已经开展了较多评价工作，尤其在试验验证方面，如“国际空间站”（ISS）美国舱曾在马歇尔航天中心进行了空气流动试验，通过该试验考核了美国舱内气体流动特性以及空气品质情况［1］。ISS日本实验舱压力密封舱（PM）同样进行了通风试验，对舱内空气流速进行了分析验证［2］。另外比较典型的是欧洲哥伦布（Columbus）号实验舱，技术人员首先对该密封舱的通风情况进行了地面试验，考核了舱内流场分布情况［3］，随后利用示踪气体下降法［4］在流速分布较差的位置进行了空气龄试验。通过试验发现有些位置的空气龄是满足要求的，即新鲜空气的供给能够满足要求，总结认为仅对载人舱进行流场测量是不充分的，还需要进行空气龄试验。

我国围绕载人航天器乘员舱通风系统所作的评价工作以数值模拟为主，如付仕明、徐小平等人建立了某型空间站座舱和送风设备的计算流体力学（CFD）模型［5］，比较了不同送风流量、送风方向以及送风口布置方式等条件下的舱内空气速度分布情况，结果表明送风方向对流速分布影响较大，其中45°送风最优。郑忠海、张吉礼等人对空间站舱内侧上送、侧下回对称通风方式进行了不同工况的数值模拟［6］，结果表明：当自然对流无量纲数Gr／Re2（格拉晓夫数与雷诺数平方的比值）小于5时，忽略重力影响的误差不超过5%，45°送风时流场平均流速最大。梁珍、张吉礼等人利用零方程湍流模型，对载人航天器座舱内空气龄分布进行了数值模拟［7］，考察了3种不同风口布置方式，模拟结果显示风口间隔交错布置的方式最优。任建勋对空间站舱内天花板均匀进风、垂直集中进风和集中斜进风三种通风方案进行了数值模拟，并进行了地面模拟试验［8］。结果表明垂直集中进风换热能力最强，但斜进风的方式更能满足人员舒适性要求。上述研究仅以风速作为通风质量的评价指标，并未充分考核舱内局部空间的空气质量。裴一飞、苏新明等人对国内外空间站密封舱空气龄分布数值模拟及试验研究进展进行了调研，提出了针对空间站进行的密封舱内空气品质评价验证试验，不能局限于风速分布测量，还应考虑空气龄分布测量，这有助于全面考核舱内通风情况［9］。

本文即利用空气龄理论对某载人航天器乘员舱进行了空气龄分布数值仿真和试验验证工作，从新鲜空气供给的角度对乘员舱通风系统进行评价，并验证方法的可行性。

2 空气龄

空气龄最早于20世纪80年代由Sandberg［10］提出，根据Sandberg的定义，空气龄是指空气从入口到达房间某一位置的时间，反映了室内空气的新鲜程度。某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜，空气品质就越好。

房间中某一点的空气由不同空气龄的空气微团组成，因此该点所有微团的空气龄存在一个概率分布函数f（τ）和累计分布函数F（τ）［11］。如果某点的空气龄为τ的空气微团在该点空气中所占的比例分布，即概率分布为f（τ），则有

累计分布函数与频率分布函数之间的关系如下：

某一点所有微团的空气龄的平均值就是该点的空气龄，记为τp，有

房间平均空气龄是指房间内各点空气龄的平均值，即

式中：V为房间体积。

图1是房间内某点p的空气龄τp的定义示意图，图中τn是房间的名义时间常数，表示理论上空气在房间内的最短滞留时间，其与房间的体积V以及送风流量Q有关，即

在此基础上可得出房间的换气效率为

换气效率是衡量室内某点或全室空气更换效果优劣的指标［12］，换气效率高说明进入室内的空气停留时间较短，室内清洁度高，空气品质较好。不同送风方式的换气效率见表1［13-14］。

图1 房间内某点p 的空气龄Fig.1 Air age at point pinside the room

表1 换气效率Table 1 Air exchange efficiency

另外对于判断室内某点处新鲜空气的供给程度可通过比较τp和τn的大小获得：

（1）若τp≤τn，新鲜空气供给较好，能够较快地置换旧空气；

（2）若τp＞τn，新鲜空气供给较差，不能够较快地置换旧空气。

3 物理模型及数值仿真

3.1 物理模型

由于我国还没有空间站核心舱的试验件，并考虑到试验研究成本，选用某飞船轨道舱模拟件作为试验对象，为适应空气龄试验研究对其进行了适当的改造，改造后的乘员舱构型如图2所示，风口设置为顶部两侧45°送风，底部两侧45°回风。风口间隔对称布置，其中送风口6个，回风口6个，风口尺寸110mm×190mm，乘员舱总体尺寸为2820mm×1500mm×1500mm，体积为5.85m3，如图3所示。同时在本研究中将重点关注乘员舱横截面内1180mm×1100mm 区域内的空气龄分布情况，如图4所示。另外，在图3、图4中给出了本次研究的X、Y、Z坐标系，其中图3定义了X、Y平面坐标，图4定义了Y、Z平面坐标，坐标系原点（0，0，0）位于舱体中心处。

图2 改造后的乘员舱构型Fig.2 Changed configuration of the crew cabin

图3 乘员舱整体尺寸Fig.3 Whole geometry of the crew cabin

图4 空气龄分布关注区域Fig.4 Interested area for air age distribution

在物理模型的基础上开展数值仿真计算及后续试验验证工作，其中数值仿真使用的计算模型与物理模型为1∶1关系，保证了计算数据与试验数据的可对比性。

3.2 数学方程

对于乘员舱空气流场可通过求解N-S方程［15］得到。本文不考虑温度变化对结果的影响，忽略重力的影响，并认为空气流动为稳态不可压缩流动。因此，空气的控制方程可表达为如下形式。

式中：ρ指空气密度；U是空气速度矢量，U＝（u，v，w）T；p为静压；F为外部质量力。

流动按紊流流态计算，对于紊流模型则采用标准k-ε模型，其具体形式参见文献［15］。

利用数值方法求解空气龄已发展了多年，北京航空航天大学的庄达民［16］等人对空气龄的输运方程进行了详细推导，得出了空气龄输运方程的稳态解，验证了利用数值方法计算空气龄的正确性，对此本文不再赘述。稳态状态下舱内空气龄输运方程的表达式为

式中：τ表示舱内空间某点空气龄；ρ为空气密度，作为空气龄控制方程的源项。Γ为扩散系数，有

式中：μ为空气分子动力黏性系数；μt 为空气紊流黏性系数；Sc，Sct分别为Schmidt 数和紊流Schmidt数，一般取值为1。

为求解空气龄输运方程，利用Fluent软件提供的用户自定义标量方程（UDS）功能［15］，对空气龄的扩散系数进行定义，并添加源项。将空气龄输运方程添加到Fluent控制方程组中，可以实现流场与空气龄的耦合求解。

3.3 边界条件

本文分别计算了2种不同条件工况，边界条件如表2所示。

表2 计算工况及边界条件Table 2 Computation cases and boundary conditions

3.4 仿真结果

图5和图6分别给出了X＝-370mm 截面上两种工况的空气龄分布等高线图，其中数字表示空气龄数值，并用颜色表征空气龄的分布情况，其中红色区域说明此处空气龄数值较高，蓝色区域说明此处空气龄数值较低。图7和图8分别给出了X＝0mm截面上两种工况的空气龄分布等高线图。

图5 工况1，X＝-370mm 截面空气龄分布Fig.5 Case 1，the air age distribution on the X＝-370mm section

图6 工况2，X＝-370mm 截面空气龄分布Fig.6 Case 2，the air age distribution on the X＝-370mm section

图7 工况1，X＝0mm 截面空气龄分布Fig.7 Case 1，the air age distribution on the X＝0mm section

图8 工况2，X＝0mm 截面空气龄分布Fig.8 Case 2，the air age distribution on the X＝0mm section

由图5～图8相互对比可以看出：送风速度为1m／s时，仿真得出的结果其空气龄分布对称性较好，在X＝-370mm（见图5）截面上空气龄数值在52s～76s 之间，其中最大值出现在A 点（Y＝275mm，Z＝0mm）位置处。在X＝0 mm 截面上（见图7）空气龄数值在54s～78s之间，其中最大值出现在B点（Y＝275mm，Z＝295mm）位置处；送风速度为0.5m／s时，仿真得到的空气龄分布对称性较差。在X＝-370mm 截面上（见图6）空气龄数值在80.5s～136.5s之间，其中最大值出现在C点（Y＝-550 mm，Z＝590mm）位置处。在X＝0 mm 截面上（见图8）空气龄数值在111.75s～143.25s之间，其中最大值出现在D 点（Y＝-380 mm，Z＝590mm）位置处。

送风风速为0.5m／s时，舱内空气龄数值普遍高于送风风速1m／s时的舱内空气龄数值，说明空气龄的数值随着送风速度的增加而减小。

根据式（5）可以计算出，送风速度1m／s时，乘员舱的名义时间常数为46.65s，送风速度0.5m／s时，乘员舱的名义时间常数为93.3s。将不同工况下两个截面上的空气龄分布情况与名义时间常数进行对比，发现两种工况条件下，乘员舱重点关注区域内的空气龄值普遍高出了乘员舱名义时间常数，说明重点关注区域内旧空气被新鲜空气置换所需的时间较长。

经计算，1m／s时人员区内的平均空气龄为τ-＝59.7s，由式（6）可以计算出乘员舱的换气效率为η＝39.07%；0.5 m／s时，人员区的平均空气龄为τ-＝121.4s，此时乘员舱的换气效率为η＝38.43%。根据表1数据，两种工况下的换气效率较低，同时将两种工况下的乘员舱换气效率进行比较，发现当送、出口风口状态给定的情况下，送风速度增加，一定程度上能够增大换气效率。然而，对于载人航天器，送风速度不能无限增加，因此在一定送风风速范围内，还需要综合考虑通风系统的优化设置，如改变送、出风口布局，改变送、出风口的送、出风角度等。

4 试验验证

根据仿真分析结果，工况1（送风速度1m／s）舱内换气效率优于工况2（送风速度0.5m／s）的结果，因此对工况1进行了试验验证。

4.1 示踪气体下降法

示踪气体下降法是指：预先向乘员舱内通入一定浓度的示踪气体，待稳定后开始通风，测量被测点的示踪气体浓度变化过程［17］。可以得到测量点p处的示踪气体累计分布函数如下。

式中：Cp（0）表示0时刻p点处的示踪气体浓度，即初始浓度；Cp（τ）表示τ时刻p点处的示踪气体浓度。

根据式（3）可以计算出p点的空气龄为

另外，可用作示踪气体的气体有SF6、CH4和CO2等，因CO2性质稳定，无毒无害，且易制备，因此在试验中选用CO2作示踪气体。

4.2 试验设计

试验前为了避免压力及温度变化对试验结果造成影响，特设计了常压常温模拟室，将飞船轨道舱整体安放在模拟室内。在乘员舱送风口处安装了风速传感器，用于判断送风速度是否满足要求，试验风速设置与数值仿真边界条件设置一致，为1 m／s。选用TY-500传感器测量CO2浓度的变化情况，利用MIC-2000控制器对测量数据进行实时采集，并编写了显示程序，可以实现数据在计算机上的记录和读取，读取间隔设置为1s。传感器测量范围为0～5000ppm（工业中通常用ppm 表示气体浓度，1ppm＝1ml／m3），精度1ppm，由于传感器比较笨重，因此试验中将传感器放置在轨道舱外部，利用小型气体泵和塑料软管将乘员舱内测量位置处的气体吸入到传感器内进行测量。气体泵的吸气速率较低以及塑料软管的内径较小，因此可忽略由于抽气对乘员舱内流场的破坏。

试验供气流程如图9所示，试验时先关闭阀3和阀4，开启阀2，风机工作，舱内循环通风。后开启阀1，通入一定浓度的CO2后关闭阀1，并关闭风机，使舱内CO2良好分布并静置。最后打开阀3和阀4，开启风机，开始测试。

图9 试验供气流程Fig.9 Air supply of the cabin

4.3 试验结果

在数值仿真结果中发现，在X＝-370 mm 截面上（Y＝275mm，Z＝0mm）位置和X＝0mm 截面上（Y＝275mm，Z＝295mm）位置处空气龄数值较大，因此在试验中重点关注了上述两位置处的空气龄数值，为了方便叙述，分别将上述位置称为测点1、测点2。

通过对2个测量点处的CO2浓度变化情况进行监测，得到CO2浓度随时间的变化曲线，如图10所示。

图10 2个测点CO2 浓度随时间变化曲线Fig.10 CO2concentration movement curve at two different spots

根据式（12）计算出两测点处的空气龄值，分别为测点1是75.2s；测点2是91.2s。两者均远远超出了乘员舱名义时间常数。

5 仿真与试验结果对比分析

比较测点处空气龄的仿真与试验结果，见表3。

从对比结果看，测点1处的空气龄为75.2s，与仿真结果偏差1.05%，两者吻合较好；测点2 处空气龄为91.2s，与仿真结果偏差3.59%，尽管存在一定的偏差，但在可接受的范围内。另外，仿真和试验结果均说明在测点1 和测点2 处空气龄数值较高，旧空气被新鲜空气置换所需的时间较长，表明本文乘员舱通风系统在采用上送下回、送出风口间隔对称布置、送出风口角度45°设置时，1m／s和0.5m／s送风速度所对应的舱内换气效率均较低。然而，本文只对一种送回风形式进行了仿真及试验验证工作，对于乘员舱通风系统设计而言是远远不够的，还应该进行更多不同送风形式及送风参数的计算及验证工作，比较不同类型通风系统的优劣，得出最优方案。在后续工作中，将着重在此方面开展相关研究工作。

表3 测点空气龄仿真与试验结果对比Table 3 Comparison of simulation and test values of the air age at two different spots

通过仿真与试验结果的对比，证明了本文所采取的空气龄验证试验方法是正确的，能够与仿真结果取得较好的一致性，表明本文所采用的空气龄分布仿真及试验方法能够预示和测量空气龄较差的区域。在载人空间站通风系统方案设计阶段，可对不同送、出风口布局及送、出风角度，配合不同的送风速度，进行仿真分析，通过比较不同方案下舱内的空气龄分布情况及换气效率，对乘员舱的通风效果进行评定，得出优化的通风系统设计方案。随后，可采用试验方法进行验证。这对提高空间站通风系统换气效率，保障航天员生活品质有较大帮助。

6 结论

本文介绍了空气龄理论，并对某乘员舱进行了空气龄分布仿真及试验验证，将结果进行了对比，可以得出以下结论：

（1）乘员舱采取风口间隔对称的布置方式，其空气龄分布结果较差，普遍高于乘员舱的名义时间常数，说明其通风系统设计有待改进。

（2）空气龄测量试验结果与仿真结果吻合较好，说明本文所采取的空气龄试验方法是正确、可行的，能够预示和测量空气龄较差的区域。

（3）对于乘员舱通风系统设计而言，应该尝试多种送回风形式（如送回风口布置、送回风角度等）和送回风参数（如送风速度、送风流量）设置，综合考量选择最优方案。

本文所提出的方法可为空间站设计阶段的通风系统设计与校核提供参考，通过仿真手段比较不同送、回风形式和送风参数情况下空间站乘员舱内的换气效率和空气龄分布，得出优化方案，进而进行试验验证，这将有助于乘员舱通风系统的合理设计，提高航天员的舱内生活品质。

（References）

［1］Wentz G L.International Space Station environmental control and life support system-verification and test program for the United States laboratory element，SAE2000-01-2294［R］.Pittsburgh：SAE，2000

［2］Ichiro Aoki.ECLSS and TCS design and performance verifications of JEM in space station，AAS 03-412［C］.10th International Conference of Pacific Basin Societies.San Diego，CA：AAS，2003

［3］T Haidl，B Lehr，W Raatschen.Thermal comfort，ventilation efficiency，contaminant removal effectiveness and safety in the Columbus cabin，SAE2000-01-2298［R］.Pittsburgh：SAE，2000

［4］李先庭，王欣，李晓锋，等.用示踪气体方法研究通风房间的空气龄［J］.暖通空调HV＆AC，2001，31（4）：79-81 Li Xianting，Wang Xin，Li Xiaofeng，et al.Investigation on air age in a ventilated room with tracer gas technique［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2001，31（4）：79-81（in Chinese）

［5］付仕明，徐小平，李劲东，等.空间站舱内空气速度分布的CFD 分析［J］.宇航学报，2006，27（6）：1137-1141 Fu Shiming，Xu Xiaoping，Li Jindong，et al.CFD analysis of air velocity distribution in space station cabin［J］.Journal of Astronautics，2006，27（6）：1137-1141（in Chinese）

［6］郑忠海，张吉礼，梁珍.空间站舱内侧上送侧下回对称通风方式数值模拟［J］.哈尔滨工业大学学报，2007，39（2）：270-273 Zheng Zhonghai，Zhang Jili，Liang Zhen.Numerical simulation of upside air-supply bottom-side air-return symmetric ventilation in space station cabin［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007 39（2）：270-273（in Chinese）

［7］梁珍，张吉礼，陆亚俊.载人航天器座舱空气龄的数值模拟［J］.暖通空调HV＆AC，2007，37（5）：1-5 Liang Zhen，Zhang Jili，Lu Yajun.Numerical simulation on air age in manned spacecraft cabins［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2007，37（5）：1-5（in Chinese）

［8］任建勋.空间站舱内流动和传热的地面模拟及试验研究［D］.北京：清华大学，1998 Ren Jianxun.Ground based thermal scale modeling of a space station cabin and experimental research［D］.Beijing：Tsinghua University，1998（in Chinese）

［9］裴一飞，苏新明.空间站密封舱空气龄分布数值模拟及试验研究进展［J］.装备环境工程，2012，9（3）：13-18 Pei Yifei，Su Xinming.Numerical simulation and validation test of air age in pressurization room of space station［J］.Equipment Environmental Engineering，2012，9（3）：13-18（in Chinese）

［10］Sandberg M.What is ventilation efficiency［J］.Building and Environment，1981，16（2）：123-135

［11］王伟.几种房间送、回风方式的空气龄评价［D］.天津：天津大学，2001：10-11 Wang Wei.The air age evaluation for different airsupply and air-return modes in the room［D］.Tianjin：Tianjin University，2001：10-11（in Chinese）

［12］赵荣义，范存养，薛殿华，等.空气调节［M］.3版.北京：中国建筑工业出版社，1994 Zhao Rongyi，Fan Cunyang，Xue Dianhua，et al.Air conditioning［M］.3rd edition.Beijing：China Architecture ＆Building Press，1994（in Chinese）

［13］李强民.置换通风原理、设计及应用［J］.暖通空调HV＆AC，2000（5）：41-46 Li Qiangmin.Displacement ventilation：Principles，design and applications［J］.Heating Ventilating ＆Air Conditioning，2000（5）：41-46（in Chinese）

［14］马仁民.通风的有效性与室内空气品质［J］.暖通空调HV＆AC，2000（5）：20-23 Ma Renmin.Ventilation effectiveness and IAQ［J］.Heating Ventilating ＆Air Conditioning，2000（5）：20-23（in Chinese）

［15］Fluent Inc..Fluent user’s guide［M］.USA：Fluent Inc.，2003

［16］庄达民，袁修干.空气龄的数值解法［J］.北京航空航天大学学报，1997，23（5）：565-570 Zhuang Damin，Yuan Xiugan.Numerical solution of age of air［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，1997，23（5）：565-570 （in Chinese）

［17］刘珊.示踪气体跟踪测量技术在暖通空调领域中的应用［D］.天津：天津大学，1999：18-19 Liu Shan.The application of the tracer gas method in the field of heating ventilating ＆air conditioning［D］.Tianjin：Tianjin University，1999：18-19（in Chinese）