基于狭缝湍射流多尺度特征研究的机舱条缝送风口内结构的优化设计

葛文涛, 郭 勇, 代 申, 姜 楠，*, 刘俊杰

(1. 天津大学 机械工程学院, 天津 300072; 2. 天津大学 环境科学与工程学院, 天津 300072)

基于狭缝湍射流多尺度特征研究的机舱条缝送风口内结构的优化设计

葛文涛1, 郭 勇1, 代 申2, 姜 楠1，*, 刘俊杰2

(1. 天津大学 机械工程学院, 天津 300072; 2. 天津大学 环境科学与工程学院, 天津 300072)

针对MD-82真实客机座舱内现有的壁面条缝型送风口流场平均流速沿座舱轴向分布的不均匀性，提出了一种送风口条缝形芯内结构的设计，使条缝型送风口处气流混合更加均匀，湍流发展更充分，平均流速沿座舱轴向分布更加均匀。并利用热线测速技术，精细测量条缝型送风口流场进行验证。从吹风感舒适性要求出发，利用子波分析，对条缝型送风口流场不同位置的瞬时速度时间序列信号作多尺度湍涡成分分析。结果表明：加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流脉动特征频率始终维持在21.83Hz左右，而导致人最不舒适的空气速度脉动频率为0.2～0.6Hz，从而证实加装了条缝形芯内结构的条缝送风口流场的气流提高了人体感觉的舒适性。

机舱；内结构；条缝射流；热线测速；子波变换

0 引 言

我国作为世界航空大国，自主研发国产大飞机一直是我们追求的目标。创造高能效、健康和舒适的飞机客舱环境是国产大型客机能在激烈的国际竞争中占据一席之地的重要保障。在封闭的客舱环境中，条缝型送风口具有更新舱内空气、保证舱内空气质量和改善舱内热舒适性的作用。条缝型送风口的出流属于典型的多狭缝射流，该形式是射流中比较复杂的一种[1]。因此，开展以客机机舱环境为背景的多狭缝送风口湍射流的实验研究具有重要意义[2]。

评判环境舒适度的依据有很多，其中吹风感是一个比较重要的指标。目前世界上对于吹风感的研究主要分为2大方向，一方面，以Fanger等人提出的PD模型以及在此基础上发展起来的吹风感预测模型为理论依据的舒适度研究[3-5]。由于该理论是以PD预测模型为基础，所以主观性较强。另一方面就是通过控制和调整气流运动的参数特性，提高感官舒适度。该研究方向主要侧重于对环境流场及气流组织特性进行研究，包括气流速度、温度、湿度和湍流度等主要流场参数。1977年Fanger和Pedersen得出空气速度的脉动频率在0.3～0.5Hz会引起最强的不舒适性[6]。1988年Fanger等人指出，湍流强度越大，吹风感越明显。相关文献又表明，过低的湍流度也会让人有不舒适感。然而对于流场对舒适度影响的研究还不够深入，仅仅止步于速度和湍流度等简单的影响参数。湍流场是一个含有多尺度结构的复杂流场，因此本文首次引入多尺度的概念对气流组织对人体吹风感影响的过程进行分析研究。

从流体动力学的角度，速度场属于主动量，速度场的分布决定了温度、浓度和湿度等被动舒适性指标在空间的分布和对流输运。因此，针对MD-82真实客机座舱内现有的壁面条缝型送风口流场平均流速沿座舱轴向分布的不均匀性，提出了一种送风口条缝形芯内结构的设计，使条缝型送风口处气流混合更加均匀，湍流发展更充分，平均流速沿座舱轴向分布更

加均匀。并利用热线测速技术，精细测量了客机座舱模型中条缝型送风口的射流流场，并采用子波分析[7-8]对测得的条缝型送风口流场进行多尺度湍涡成分分析，分析不同尺度湍涡结构的能量分布规律及能量传递规律。

1 实验内容

实验测量的对象是客机座舱模型中条缝型送风口射流流场，采用的仪器包括IFA-300恒温式热线风速仪、1128A型热线探针校准器和三维步进电机驱动坐标架。IFA-300恒温式热线风速仪(简称HWA)是一种由计算机控制、具有自动频率最佳化功能的热线风速仪，能够连续感受流动速度并自动调整动态响应，实时地实现最佳化频率响应，能够准确地测量流场的速度脉动信号。它的频率响应快，范围宽，最高能达到700kHz，因此能够分辨出低速湍流中最小尺度的湍涡结构。实验中，三维步进电机驱动坐标架由电脑控制移动步长，精度达到了0.01mm。实验中，机舱环境的温度始终维持在26℃。

如图1所示，条缝型送风口模型全长为2.3m，宽0.345m，高0.145m，条缝所在平面与水平成60°角。整个送风口模型共有105个紧邻的细长条缝，每个细长条缝长50mm，宽3.5mm，相邻细长条缝的间距也为3.5mm，即格栅的宽度为3.5mm。简化机舱模型中送风口一侧接鼓风机，鼓风机定常向管道内供气，管道来流速度为5.15m/s，雷诺数为12 980，管道流量为93.15m3/h。本次实验中，热线风速仪的的采样频率为100 000Hz，每个空间测点采样时间为41 943s，测速样本数据量共计为4 194 304。

本实验分为2大组，包括：CASE 1，加装了实际客舱现有的圆孔形芯内结构的条缝型送风口(1∶1的MD-82真实客机座舱内的送风口内结构模型)；CASE 2，加装了细长条缝形芯内结构的条缝型送风口。

根据不同工况下分别测量沿流向(x轴)的衰减速度场和沿展向(z轴)的速度场分布(见图1(b))。

图1 条缝型送风口模型(图(a)为实物图,图(b)为示意图)

Fig.1 The slot outlet model(figure(a) is the picture and the figure (b) is the schematic diagram)

图2 条缝型送风口气流运动示意图

(1) 实验一：测量展向平均速度分布。在距离条缝5mm处的平面上，起始点正对条缝中心，设置步长1mm，沿展向移动测量10个条缝格栅周期长度，测得70个测点的平均速度分布。

(2) 实验二：测量流向平均速度衰减规律。分别正对条缝中心和格栅中心沿流向移动测量，起始位置距离条缝所在平面5mm，起始步长为5mm，测量11个点(至55mm处)，之后加大步长至20mm，测量至距离条缝所在面175mm处。

内结构安装在条缝送风口稳压箱内部，本实验采用2种圆管型内结构，圆孔芯内结构和条缝芯内结构。如图3所示，圆孔形芯内结构小孔直径为9mm，共27个小孔，相邻圆孔的间距为17mm；条缝芯内结构条缝长575mm，宽3mm。这样的方式保证了不同内结构的出气面积相同。加装内结构后，鼓风机提供的气流首先进入内管，从内管开口处射出后再由条缝型送风口进出机舱模型。

图3 不同内结构模型示意图(图(a)为圆孔形芯内结构，图(b)为条缝形芯内结构)

Fig.3 The schematic diagram of the model with different inner-structures(figure (a) represents circular core inner-structure and figure (b) represents slit shaped core inner-structure)

2 HWA测量结果分析

图4是在距离条缝5mm处的平面上，起始点正对条缝中心，沿展向移动测量的10个条缝周期(1个周期指从某一条缝中心到相邻的条缝中心的距离)。从图中可以看出，2个流场都具有明显的周期性，且周期与条缝的距离周期相同。同时，加装了圆孔形芯内结构(见图4(a))的流场还受内结构上圆孔周期性分布的影响，在展向上表现的并不均匀。而图4(b)条缝形内结构的通风口射流平均流场在展向上分布的均匀性要好很多。

图4 不同内结构的条缝型风口沿展向的速度场分布对比图

Fig.4 The span-wise velocity field distribution contrast figure of the slot-jet with different inner structures

图5是根据实验测得的2种不同工况下，即安装不同内结构的条缝送风口流场中流向上17个位置的平均速度绘制成的从距离出风口平面5mm处一直到175mm处的平均速度衰减图。从图中可以看出，在近壁区，CASE 2的流场速度明显比CASE 1的流场速度大，这说明在出风面积相同时，加装条缝形芯内结构的送风口送风效果更好。在到达距出风口平面50mm左右处，气流平均速度已经衰减到0.3m/s，低于吹风感容许的最大吹风速度[9-10]。说明加装了条缝形芯(即CASE 2)的条缝型出风口处流场的衰减率更快。所以，优化后的条缝形芯的内结构在保证送风量的同时满足对流向速度衰减率大小的要求。

Fig.5 The mean stream-wise velocity field attenuation contrast figure of the slot-jet with different inner structures

图6是2种工况下，对距离出口5mm处流向脉动速度时间序列信号进行连续子波分析所获得脉动速度多尺度成分等值线分布图。可以很清晰地看出，加装了条缝形芯内结构的流场主要分布在6～8尺度，明显小于圆孔形型芯的工况的7～10尺度，即加装了条缝形芯内结构的湍流场衰减更快，湍涡尺度更小，频率更高。说明条缝形芯内结构达到了减小湍涡尺度，降低吹风感，提高舒适性的目的。

在2种工况下，沿流向中心线上的17个测点，利用离散子波分析，将其分成22个尺度，并根据能量最大准则[11]，分析不同尺度的湍涡的能量在总湍动能中所占的比重(见图7)。从图中可以看出，在距离风口5mm的位置，CASE 1的主要含能尺度主要集中在12尺度上，对应频率21.83Hz。在距离送风口35mm的位置，CASE 1的主要含能尺度变得更大，主要集中在14尺度上，对应频率5.48 Hz。CASE 2在距离风口5mm的位置，高频小尺度涡的含量明显增多，湍动能主要积聚在第7尺度，对应的频率为595.23Hz。在距离送风口35mm的位置，CASE 2的湍动能主要积聚在代表大尺度湍涡的第12尺度，对应频率21.83Hz。所以加装条缝形芯内结构的通风口使湍涡尺度变小了大约4倍，从而降低了吹风感，提高了舒适性。

图6 不同工况下距离风口5mm处脉动速度多尺度成分等值线图

Fig.6 The contour of the velocity proportion of different scale eddies for different cases at 5mm downstream of the slot

图7 不同工况下不同测点位置的不同尺度的湍涡的能量占总湍动能的分布图

Fig.7 The energy proportion of different scale eddies at different positions for different cases

从不同流向位置的能量随尺度分布(见图7)可以看出，越往下游，一方面，由于流体分子黏性的耗散作用，射流场总的湍动能大量被耗散掉，导致射流场总的湍动能随着往下游发展逐渐减少。另一方面，随着射流场对周围环境静止气体的剪切卷吸效应，将周围流场中越来越多静止的流体卷吸进来；射流带动的周围静止流体质量越来越多，单位质量的流体拥有的动量和动能越来越少，导致流体黏性的作用相对变大，惯性作用逐渐减弱；一部分小尺度湍涡在黏性的作用下又卷并成为低速、低动能的大尺度湍涡，使湍流场中的低频大尺度涡的成分含量相对增多，高频小尺度涡的含量相对减少；这是湍流发展过程中的逆级串现象，这部分大尺度湍涡的形成对机舱内热量的传递和污染物的输运扩散产生重要影响。低速、低动能的大尺度湍涡随后再次破碎成小尺度湍涡后，湍流才逐渐被耗散，湍流这种双向的级串现象，表明在湍流发展演化过程的不同阶段，正向和负向的级串过程交替占有主导地位，体现了湍流发展演化过程的复杂性。

图8是对距离送风口35mm处流向脉动速度时间序列信号进行连续子波分析，获得脉动速度多尺度成分等值线分布图。也可以看到随着多狭缝射流向下游的演化，湍流场中的低频大尺度涡的成分含量相对增多，高频小尺度涡的含量相对减少的湍流逆级串现象。圆孔形型芯内结构的湍流场由于逆级串过程，湍涡主要分布在14尺度，对应频率5.48Hz。而加装条缝形芯内结构的湍流场湍涡主要分布在12尺度，对应频率21.83Hz。所以加装条缝形芯内结构的通风口达到了使湍涡尺度变小、降低吹风感和提高舒适性的目的。

客舱湍流脉动频率特征是影响客舱舒适性的因素之一。因此，对于加装了条缝形芯内结构的流场进行进一步分析。图9给出了加装条缝形芯内结构客舱条缝风口各流向位置起主要作用的湍涡尺度(见图7)对应的特征频率。从图9可以看出，在距离出风口5mm处能量最大的尺度是第7尺度，对应的频率为595.23Hz；距离出风口10mm处能量最大的尺度是第8尺度，对应的频率为297.62Hz；距离出风口15mm处能量最大的尺度是第10尺度，对应的频率为74.4Hz；距离出风口20～30mm处能量最大的尺度是第11尺度，对应的频率为43.668Hz；从距离出风口35mm直到人头部所在的位置，能量都是主要集中在第12尺度，对应的频率为21.83Hz。

图8 不同工况下距离风口35mm处脉动速度多尺度成分等值线图

Fig.8 The contour of the velocity proportion of different scale eddies for different cases at 35mm downstream of slot

图9 CASE 2不同流向测点的起主要作用的尺度对应的特征频率

Fig.9 The characteristic frequency of the corresponding scale who dominants in the process at different stream-wise points in CASE 2

空气速度波动频率为0.2～0.6Hz会引起最强的不舒适。本实验中，客舱条缝风口测得的各湍涡尺度的特征频率都远远大于这个范围，所以从主要尺度的湍涡特征频率来看，加装条缝形芯内结构的条缝送风口气流提高了人体的吹风舒适性。

实验误差的来源是多方面的，如鼓风机的不稳定、热线探针的定位误差以及标定过程中产生的误差。本次实验中鼓风机的流量波动范围不超过±2.5%。三位自动坐标架的精度为0.01mm，因此定位误差不超过0.01mm。热线标定工作在TSI-1127型射流校准器上完成，该校准器在圆形出口处形成稳定的射流，将探针放于该射流核心区内，通过压力传感器记录其速度值。在利用四次多项式拟合电压-速度关系，重复性实验表其标定误差不超过2%。

3 结 论

本文利用热线测速技术，以高于湍流场最小时间尺度(Kolmogorov时间尺度，耗散时间尺度)的分辨率，精细测量客舱模型中加装不同内结构的条缝送风口射流流场，并从舒适度要求出发，利用子波分析，对瞬时多狭缝湍射流场作进一步的多尺度湍涡成分分析。得出以下结论：

(1) 湍流场中不同尺度湍涡的能量在总湍动能中所占的比重是不同的，越往下游发展，随着射流场对周围气体的卷吸效应，湍流场中的低频大尺度湍涡的成分含量增多，高频小尺度湍涡的含量减少。这是低局部雷诺数湍射流与高雷诺数湍射流物理机理上的差异，远场的低频大尺度湍涡结构对机舱内热量的传递和污染物的扩散有重要作用；

(2) 客舱条缝风口各流向位置起主要作用的湍涡尺度的特征频率随着湍射流的发展逐渐降低。通过对比实验发现，从距离出风口平面35mm处开始，加装优化结构后的条缝出风口流场的气流特征频率始终维持在21.83Hz左右，而导致人最不舒适的空气速度波动频率为0.2～0.6Hz。因此，本结构优化设计是有效的;

(3) 条缝形芯内结构的设计大幅度改善了条缝出风口处流场的周期性以及速度分布的一致性。使得气流与环境流体混合更加均匀，湍流发展更充分，达到降低吹风感，提高舒适性的要求。

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(编辑：杨 娟)

Optimization design of inner-structure of the slot-jet in aircraft cabin based on investigation of multi-scale characteristics of slot turbulent jet flow

Ge Wentao1, Guo Yong1, Dai Shen2, Jiang Nan1，*, Liu Junjie2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to solve the distribution heterogeneity problem of the mean span-wise velocity field of the slot outlet in MD-82 airliner cabin,we designed the slit-shaped inner core structure in order to make the final mixture of the slot flow more uniform, the development of the turbulence is more sufficient and the distribution of the mean stream-wise velocity field is more homogeneous. Hot-wire anemometry is used in the simplified cabin model experiments, based on which the research is carried out on the optimization design of inner structures of the slot-jet in aircraft cabin and the multiscale characteristic analysis of the turbulence. The slot-jet flow fields in model cabin environment with different inner-structure are finely measured by constant-temperature anemometry system.The resolution of the constant-temperature anemometry system is higher than the smallest time-scale of turbulence (inner structure and dissipation time-scale). The actual velocity field is analyzed in the stream-wise direction and normal direction respectively. Furthermore, based on the comfort theory, the wavelet-transformations are applied for the characteristic analysis of the multi-scales eddy and the analysis of the distribution of energy. The variation of the mean velocity beyond the slot outlets reveals the decaying regularity of the velocity in the stream-wise direction and the flow irregularity in the normal direction. Results from the wavelet transformation analysis indicate that the change of energy proportion of different scale eddies is connected with the evolution of the slot-jet flow field. It can be seen from the results that small scale vortices generate entrainment and merge into large scale vortices on account of the increase of the viscosity and the decrease of the inertness in the far field of the turbulence jet flow field, which is called inverse energy cascade. It has a significant impact on the thermal transmission and the diffusion of contaminant.It’s the main reason of the draft sensation discomfort. By the contrast experiments, the slit-shaped core inner structure is designed so that the final mixture of the slot flow is more uniform and the development of the turbulence is more sufficient. From the perspective of comfort analysis on the flow fluctuation frequency, the flow characteristic frequency of the flow field beyond the outlet with the designed core structure has remained to be about 21.83Hz, while the air fluctuation frequency which results in highest discomfort is 0.2～0.6Hz. Therefore the design is worked.

aircraft cabin;inner-structure;slot-jet;hot-wire anemometry;wavelet transform

1672-9897(2015)05-0032-06

10.11729/syltlx20140151

2014-12-29;

2015-04-21

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究(NO.2012CB720101、NO.2012CB720103);国家自然科学基金资助项目(11272233、11332006、11411130150)

GeWT,GuoY,DaiS,etal.Optimizationdesignofinner-structureoftheslot-jetinaircraftcabinbasedoninvestigationofmulti-scalecharacteristicsofslotturbulentjetflow.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(5): 32-37. 葛文涛, 郭 勇, 代 申, 等. 基于狭缝湍射流多尺度特征研究的机舱条缝送风口内结构的优化设计. 实验流体力学, 2015, 29(5): 32-37.

V223+.2;O358

A

葛文涛(1989-)，男，江苏扬州人，硕士研究生。研究方向：实验流体力学。通信地址：天津大学机械工程学院力学系流体力学实验室天津大学北洋科学楼102(300072)。E-mail:gwt385990242@163.com

*通信作者 E-mail: nanj@tju.edu.cn