飞机客舱环境实验平台设计与搭建

杨建忠， 左 权， 陈希远， 杨士斌

(中国民航大学 天津市民用航空器适航与维修重点实验室， 天津 300300)

飞机客舱环境实验平台设计与搭建

杨建忠， 左 权， 陈希远， 杨士斌

(中国民航大学 天津市民用航空器适航与维修重点实验室， 天津 300300)

为了验证计算流体动力学仿真结果，应用先进的测量技术，参考现役主流单通道民航客机Boeing 737-800的典型经济舱布局，设计、搭建了客舱环境实验平台，该实验平台拥有模拟飞机客舱空气分配的管路系统，模拟飞机环境控制系统功能的空气调节系统，以及一个5排座位的等比例模拟舱。对实验平台的测试结果表明:该客舱环境实验平台可以模拟真实飞机客舱环境。

实验平台； 客舱环境； 空气分配； 模拟舱

1 国内外研究现状

CFD(计算流体动力学)仿真和实验研究飞机客舱环境,既是提高飞机客舱环境质量的重要技术手段,也是探索相关适航审定技术的重要途径。研究飞机客舱环境可信度最高的方法是利用等比例客舱模型进行实验研究。目前已经有研究人员搭建过等比例客舱模型。Wang等[7]基于Boeing 767-300搭建了一个5排座包含35个人体模型的全尺寸模拟舱来评估客舱的通风效果和气流分配特点。Garner 等[8]基于一架Boeing 747飞机的一段机身搭建了一个实验平台,用三维超声波风速仪测得的实验数据验证了CFD数值模拟结果。不过,Garner 等采用的三维超声波风速仪的探头尺寸比较大,所以测量出的速度是一个比较大的体积内的平均值,这样得出的实验数据不适合用来与CFD数值模拟结果进行点对点的对比分析。而且为了测量方便,他们拆除了客舱内的座椅,这显然与真实的客舱环境存在较大差异。Kühn等[9]参照Airbus A380的上层客舱设计了一个全比例模拟舱,尺寸稍小于Airbus A380飞机的真实尺寸。模拟舱内安装了5排共40个座椅,并且每个座椅上放置一个加热假人。他们利用搭建的实验平台研究了流体物理效应的相互作用对客舱内流场的影响。Müller等[10]采用Airbus A330/A340的一段机身设计了一个实验平台,为验证CFD仿真结果提供实验数据。

与简化客舱模型和缩比客舱模型相比,这些研究人员搭建的等比例客舱模型有很大的技术进步,但是在应用的过程中也出现了一些缺陷。比如由于客舱模型的壁面不透明,一些客舱模型只能采用单点测量技术,无法采用PIV(粒子图像测速)技术等先进的全场测量技术。本文参考现役主流民航客机ECS(环境控制系统)的功能架构设计、搭建了一个客舱环境实验平台。基于该客舱环境实验平台研究飞机客舱环境,可以验证CFD仿真结果,亦可应用PIV技术等先进的全场测量技术。

2 实验平台的拓扑结构

Boeing 737-800客机是现役主流的单通道民航客机,其空调系统为机组、乘客和设备提供了一个可调节的内部环境,主要有分配、制冷、加温、温度控制、设备冷却、增压等6个子系统。基于Boeing 737-800客机ECS的功能架构,本文设计了如图1所示的客舱环境实验平台的拓扑结构。整个实验平台分为送风与排风系统、制冷系统、加热系统、模拟舱和控制操作系统5个功能模块。

图1 客舱环境实验平台的拓扑结构

在实验平台中,送风与排风系统控制送往模拟舱的空气流量,制冷系统和加热系统负责将抽取的空气调节到所需的实验温度后送往模拟舱,模拟舱是开展各种研究的模拟客舱空间,控制操作系统即是采集实验数据和发送控制指令的上位控制中心,也是实验操作、监控平台。

3 实验平台的设计

3.1 送风与排风系统

送风与排风系统控制送往模拟舱的空气流量,通过调节供气温度来控制模拟舱的温度。中国民用航空规章CCAR 25.831(a)款规定“通常情况下通风系统至少应能向每一乘员提供250 g/min的新鲜空气”[11],这与美国联邦航空规章FAR中的要求[12]一致。为了提高运营经济性,现役民航客机的ECS均采用50%的新鲜空气混合50%的再循环空气后送往客舱。模拟舱取消再循环系统,向模拟舱供应100%的新鲜空气,并且不考虑真实飞机客舱的增压需求,即舱内压力为常压,但保证必要的密封性。模拟舱共30个座位,按照规章要求,模拟舱的送风与排风系统要向模拟舱供应的空气至少应为735 m3/h。美国国家标准《Air Quality within Commercial Aircraft》建议[13]至少向每位乘员供应9.4 L/s的空气。在此要求下,送风与排风系统要向模拟舱供应至少1 015.2 m3/h的空气。

模拟舱的气流组织采用传统构型见图2,由侧壁条缝、顶棚条缝和个性送风口送风,由侧壁进风底部回风格栅排风。模拟舱的分配管道示意图见图3。送风管道在到达模拟舱时分为6路,分别向左右两组顶棚送风条缝、左右两组个性送风口和左右两组侧壁送风条缝送风,6路空气分配管道的打开、关闭以及开度由6个电动球阀控制。舱内空气从左右两组回风格栅离开模拟舱后汇合成一路,然后排向舱外。

图2 模拟舱横截面示意图

图3 模拟舱分配管道示意图

对于低速不可压流体,其流动遵循伯努利方程:

(1)

式中:p*为滞止压力(总压)；p为静压；ρv2/2为动压，v为流体流速。

根据管路系统水力计算[14]的原理,在串联管路中各管段流量相等；对于并联管路,干管流量Q干等于各支管流量Q支之和：

(2)

据此可确定各段管路的规格。

3.2 制冷系统

根据热力学第一定律可知,能量在转移和转换的过程中总量保持不变[15],即

(3)

式中:δQ为热力系在dτ时间内从外界吸收的微小热量；e1δm1为dτ时间内从外界流入热力系的物质具有的能量,m1为进入系统物质质量；δWtot为热力系在dτ时间内对外界做出的微小总功；e2δm2为dτ时间内从热力系流出到外界的物质具有的能量，m2为排出物质数量；E+dE为经过dτ时间后热力系的总能量；E为初始时刻热力系的总能量。

假定模拟舱壁绝热,由此可得模拟舱的热平衡方程为

(4)

式中:ρ为空气密度；V为模拟舱容积；Cp为空气的定压比热；tc、ts、t0分别为模拟舱内空气温度、模拟舱供气温度、室外大气温度；Qs、Qe分别为模拟舱的供气流量、排气流量。

我国航标要求民航客机的客舱平均温度应该能够选择,并自动稳定在18～30 ℃范围内[16]。对现代民航客机而言,为了提高乘坐舒适性和运营经济性,通常要求在极热条件(40 ℃)下,客舱内的温度可以在30 min内冷却到27 ℃,然后乘员才可以登机。制冷系统模拟真实飞机客舱的制冷工况,采用模块式风冷冷水机组获得冷却水,然后利用水-空气热交换器对所抽取的空气进行降温。

当传热系数固定不变时,管壳式热交换器的无相变传热方程[17]为

Qh=KAΔt

(5)

式中:Qh为热载荷；K为总传热系数(以换热管外表面积为基准计算)；A为传热面积(换热管有效外表面积)；Δt为温差(整个传热面积上的有效平均温差)。

3.3 加热系统

按照我国航标对民航客机客舱的平均温度的要求,为了提高乘坐舒适性和运营经济性,通常要求现代民航客机在极冷条件(-40 ℃)下,客舱内的温度可以在30 min内加热到21 ℃,然后乘员才可以登机。加热系统模拟真实飞机客舱的制热工况,采用电加热器对送往模拟舱的空气进行加热。

假定电热丝(电加热器的电阻)质量为M,比热为C,传热系数为H,传热面积为A,t0、t1为加热前后空气的温度,Qi为电热丝单位时间内的产热量,由热力学知识可得

(6)

3.4 模拟舱

该实验平台的一大作用就是利用所得实验数据与CFD仿真计算结果相互验证。对于CFD仿真计算,文献[18]的研究表明5排座位的客舱模型能够得到比较合理的仿真结果。

为了利用PIV系统开展实验,模拟舱右侧壁中间3排座位处舷窗开大。模拟舱的座椅设置为窄体客机经济舱布局,每排6个座位(3+3布局),共5排。模拟舱的内壁、座椅等表面粗糙度模拟真实飞机客舱的内壁、内饰表面特征。

3.5 控制操作系统

控制操作系统包括实验操作台和电器柜两部分,将高压设备与低压设备分开,以减少设备之间的信号干扰。实验操作台负责向各个设备下达控制指令,采集实验数据,并监控实验平台的运行状况。电器柜采用模块化设计,离心风机的变频器、模块式风冷冷水机组控制器和电加热控制器等均设置在电器柜内。

离心风机、电加热器、模块式风冷冷水机组和送风电动球阀等由上位控制程序控制。实验平台的上位控制程序、人机界面(见图4)等均通过C#软件开发,温度、流量等传感器的数据采集和预处理,以及实验平台运行状况的监控,也由C#软件编程实现。

图4 实验操作台人机界面

4 实验平台的搭建

4.1 送风与排风系统

模拟舱内的压力为常压,为了保证模拟舱的供气量,并拥有一定冗余,送风与排风系统设置2台380 V/5.5 kW的松发9-19-4.5A型离心风机,该型离心风机的风量为2 281～2 504 m3/h,一台负责将冷却/加热处理过的空气送往模拟舱,另一台辅助模拟舱排风。2台离心风机均由变频器控制,以实现模拟舱供气量的可控且连续可调。变频器采用ABB ACS510-01型低压交流传动变频器,2台变频器置于一个电器柜内。

送风风机上游管道采用600 mm×600 mm的方形截面管道,管道内安装水-空气热交换器和电加热器,围护结构由型材和面板组成。上游管道入口处设置过滤装置,滤除空气中的异物。在靠近送风风机处开孔,用于向模拟舱注入PIV实验的示踪粒子等用途。

送风风机下游的送风管道和排风管道采用φ325 mm的45#钢管道焊接而成(涡街流量计上下游直管段采用φ273 mm的45#钢管道),在喷涂防锈漆之后敷设保温层。送风管道到达模拟舱时分为6路φ159 mm的管道,6个电动球阀下游的空气分配管道采用φ159 mm的201不锈钢管道,不锈钢空气分配管道与顶棚送风条缝、侧壁送风条缝和个性送风口之间用φ12 mm的聚氨基甲酸酯(PU)管连接,不锈钢送风分配管道上焊接气管接头。模拟舱分配管道布设于内外壁之间,不做保温处理。

排风毛细管也敷设在模拟舱的内外壁之间,采用φ38 mm的PVC钢丝软管,左右两侧的排风毛细管分别汇合到两路φ159 mm的201不锈钢管道,之后两路不锈钢管道汇合到一路排风管道。由于排风管道的出口在室外,为防止异物进入,在排风管道出口焊接防护网。整个送风与排风系统的管道布置贯彻“短、直”原则,即管道尽可能短且尽可能减少转弯。

4.2 制冷系统

制冷系统采用南京平欧空调设备有限公司的BAM020B-100型模块式风冷冷水机组(见图5),充注7.5×2 kg二氟一氯甲烷(R22)制冷剂,额定水流量为11.3 m3/h,制冷量为66 kW。

图5 模块式风冷冷水机组

为了提高制冷效果,设置两组水-空气热交换器,对所抽取的空气进行冷却。两组热交换器的冷路均设置有浮子流量计,以便观察两路冷却水的状况。模块式风冷-冷水机组安装在实验室内,为了降低冷凝风扇对室内环境的干扰,采用2台风量为4 850 m3/h的380 V外转子轴流风机,通过两路φ350 mm的镀锌铁皮管道将冷凝风扇排出的风引向实验室外面。为防异物进入,在冷凝风扇排风管道出口设置防护网。模块式风冷冷水机组的控制器由厂家提供。

4.3 加热系统

加热系统采用380 V/Y/20 kW(按1∶1∶1分成3组)电加热器对送往模拟舱的空气进行加热处理。

4.4 模拟舱

基于现役主流单通道民航客机Boeing 737-800的典型经济舱布局,以1∶1的比例搭建一个具有5排座位的模拟舱。模拟舱的舱壁和地板均为中空结构,而且舱壁外层可拆卸。模拟舱内外壁采用Q235碳钢模块化组装,舷窗及预留的PIV拍摄窗口均为透明亚克力板材,前端为透明玻璃。座椅的尺寸和排距参考真实飞机客舱的座椅布置。在舱内后端设置电源面板,供应220 V/10 A和220 V/16 A的电源,以备舱内设备之需。

必要的线缆敷设在内外壁之间或者底座内。模拟舱的内外壁表面以及材料的切口截面全部均匀喷涂哑光漆,以尽可能得减少光线的镜面反射,这一点在开展PIV实验时尤其重要。

4.5 实验操作系统

实验操作台(见图 6)内集成了一台研华工控机、PCI 8326B和PCI 8327数据采集卡等。流量传感器采用MIK-LUGY-250型涡街流量传感器(公称直径为250 mm),测量范围为850～8 500 m3/h,精度等级为1.5级。涡街流量仪表对安装位置的上下游直管段有特定要求(内径、长度等),如果不满足,会影响测量介质在管道中的流场,进而影响仪表的测量精度。温度传感器为博控TT1001型Pt100温度传感器,测温范围-50 ～150 ℃,精度等级为0.1级。另外,为了保证实验设备的电力供应,在模拟舱外靠近模拟舱前后端的位置,从主配电箱引出2个辅助配电箱,供应220V/10A和220V/16A电源。

图6 实验操作台

4.6 实验平台的测试

经打压测试,模拟舱和管道无明显漏风,模拟舱风量符合美国国家标准《Air Quality within Commercial Aircraft》的建议风量,并且还有冗余。分别对实验平台的加热和制冷工况进行了测试,测试结果见图7。由图 7可知:在加热工况下,送风温度θ在大约18 min内从22 ℃被加热到33 ℃；在制冷工况下,大约22 min内将送风温度从28 ℃冷却到18 ℃。测试结果表明:该实验平台满足对飞机客舱环境进行仿真的要求。

图7 实验平台测试结果

5 结语

基于现役主流单通道民航客机Boeing 737-800的典型经济舱布局,本文设计、搭建了一个客舱环境实验平台,该实验平台拥有模拟飞机客舱空气分配的管路系统,一套模拟飞机ECS功能的空气调节系统,以及一个5排座位的等比例模拟舱。经测试,整个实验平台可以模拟真实飞机客舱环境。利用该实验平台,可以研究客舱内流场的温度分布、速度分布、特定气体的浓度分布,也可以研究污染物的扩散规律,给CFD仿真计算提供边界条件等验证数据,为改善客舱空气品质提供技术参考,同时亦可研究紧急情况下的应急措施,探索相关的民机适航审定技术。

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Design and construction of experimental platformfor airplane cabin environment

Yang Jianzhong, Zuo Quan, Chen Xiyuan, Yang Shibin

(Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

To verify the simulation results of CFD (computational fluid dynamics), and referring to the typical economy class layout of current mainstream single-aisle airliner Boeing 737-800, the advanced measurement technology is used to design and construct an experimental platform for the airplane cabin environment. The platform has the the functions which can simulate the pipeline system of air distribution in an airplane cabin, an air conditioning system with function of the aircraft ECS and a full-scale cabin with 5 rows of seats. The test results show that the experimental platform for airplane cabin environment can simulate the real airplane cabin environment.

experimental platform; cabin environment; air distribution; simulation cabin

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.019

2016-07-26

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB720104);2015民航局科技创新引导资金项目(MHRD20150220)

杨建忠(1974—), 男, 宁夏固原,硕士，副教授, 研究方向为航空器适航审定.

E-mail：cca_2014@126.com

V216.5

A

1002-4956(2017)1-0079-05