基于CFD的客舱气流组织影响分析

杨文强

（中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，西安 710089）

随着社会发展，大型客机已成为越来越重要的交通出行工具。据统计目前全球大约25%以上的旅客选择了航空客运的出行方式[1]，其中将近5%的出行人员患有心肺功能障碍疾病[2]，这对客舱空气环境提出了更加严格的要求。然而，现代客机的客舱空气环境不是很理想，因为大部分乘客经常感觉过冷或过热，对客舱环境不是很满意[3]，满足乘客健康和舒适需求的客舱环境就显得特别重要。

大型飞机客舱气流组织（即客舱内空气流速分布与温度分布）主要由供入客舱内空气的流速、温度，客舱的供气口、排气口的物理外形及其相对安装位置、客舱内部总体布局和影响客舱空气流动换热的多种热载荷所决定。一方面，气流组织不同，客舱空气分布及控制效果也不一样；另一方面，良好的气流组织使得环控系统制冷量得到有效利用，从而实现节能。

客舱气流组织型式及送风方式性能的优劣需要给出科学的评价。大型飞机客舱气流组织评价指标包括舒适性和经济性两个方面。舒适性指标用于评价客舱内气流组织的速度场、温度场能否满足乘员的舒适要求；经济性指标则要求在达到通风标准的同时使能量消耗为最低。

当前，国外主要针对客机开展研究，以实验测试和数值模拟为手段，集中于测试方法以及数学模型的求解。在实验测试方面，均在地面静态实验中进行，无法准确获取气流组织受干扰后的特性；在数值模拟方面，均简化了客舱模型，忽略了客舱中供气口、排气口及再循环系统对气流组织的影响[4-11]。国内主要针对飞机驾驶舱开展研究，以数值模拟为手段，集中于计算结果的分析研究，以人体舒适度为评价标准[12-18]。

良好的客舱气流组织能够更好地满足民用飞机的舒适性和经济性要求，从而带来较大的商业价值。因此，开展基于供气温度参数、地板排气通道面积、再循环空气流量和客舱排气活门安装位置的气流组织研究，最后对客舱空气龄分布进行数值模拟仿真以评价客舱气流组织的优劣。

1 客舱几何模型

1.1 几何模型

大型民用飞机客舱的全尺寸三维造型较为复杂、设备较多，不适用于数值模拟计算，因此对大型飞机客舱模型进行了简化，客舱在长方体空间内填充布置舱内结构，长方体空间的几何尺寸坐标为：xS：-2.96 m，xE：2.96 m；yS：-1.7 m，yE：2.4 m；zS：0 m，zE：-54.5 m。其中：S代表起点，E代表终点。后续定义与此相同。客舱三维等轴视图如图1所示。

图1 客舱三维等轴视图Fig.1 Cabin 3D equiaxial view

对客舱全尺寸建模进行以下处理：

1）客舱主要包括12人头等舱、54人商务舱和312人经济舱。为后续研究方便，将头等舱和商务舱作为前客舱，将经济舱分为中客舱和后客舱。

2）取消舱内与空气流动无关的部分，如密闭厨房、电子设备柜以及盥洗室等不规则部分。

3）简化或移除舱内不重要的设备和附件，使网格划分变得容易，同时加快数值计算速度，节省计算资源。

4）考虑舱内乘员的影响，布置了舱内乘员模型，在不影响计算结果的情况下，乘员模型以矩形块代替，乘员几何尺寸为0.4 m×1.1 m×0.55 m。依据飞机总体设计要求，头等舱乘员前后排间距为1.575 m，商务舱乘员前后排间距为1.030 m，经济舱乘员前后排间距为0.810 m。最终建立计算区域的最大尺寸为：5.92 m×4.1 m×54.5 m。

1.2 客舱空气分配系统设计

客舱空气分配系统包括供气口、地板排气通道、排气活门和再循环系统等，如图2所示。沿z方向两侧均匀布置20个矩形供气口，第1个供气几何尺寸坐标为：在 x=-1.6 m 平面上，yS：1.95 m，yE：2.15 m；zS：-1 m，zE：-1.3 m，其它供气口以此为基准布置。地板排气通道与客舱内壁之间的宽度为0.26 m，沿z方向左右对称。排气活门沿z方向前后各布置2个，圆心几何尺寸坐标分别为（0 m，-1.7 m，-18 m）和（0 m，-1.7 m，-36 m），半径均为0.05 m。在客舱内布置2个再循环系统，圆心几何尺寸坐标分别为（-2.96 m，-0.35 m，-27.25 m）和（2.96 m，-0.35 m，-27.25 m），半径均为0.3 m。

图2 客舱空气分配系统Fig.2 Cabin airflow distribution system

2 飞机客舱空气流动的物理和数学模型

2.1 物理模型

客舱空气满足理想气态状态方程，压力为常数，低速流动且不可压缩，温度和密度变化较小，符合粘性流体动力学理论。将飞机客舱空气流动的物理模型概括为[19]：与气体状态方程的等压流动规律相一致；空气为常温、低速、不可压缩的理想气体；湍流流动中同时有自然对流、辐射换热和强迫对流的情况。

2.2 数学模型

客舱空气流动遵循不可压粘性流体的控制方程[20]：

连续方程

动量方程

能量方程

组分方程

其中：Ui为xi方向的速度（m/s）；xi为3个垂直坐标轴坐标，i=1，2，3；ρ为空气密度（kg/m3）；Uj为 xj方向的速度（m/s）；p为空气压力（Pa）；μ为空气层流动力粘度[kg/（m·s）]；β为空气热膨胀系数（1/K）；Tref为参考温度（K）；T为空气温度（K）；gi为 i方向上的重力加速度（m/s2）；h为空气定压比焓（J/kg）；SH为热源（W）；λ为空气热导率[W/（m·K）]；cp为空气定压比热容[J/（kg·K）]；C 为组分浓度（kg/kg）；σC为传质 Schmidt数，通常取 1.0；SC为组分浓度源（kg/s）。

采用零方程湍流模型，在室内空气自然对流和混合对流的直接数值模拟结果上提出，该模型针对室内非等温流动的Rayleigh数范围为[（2.6～3.0）×1010]，认为涡粘系数正比于流体密度、当地速度和距壁面最近之距离，比例系数由直接数值模拟的结果拟合而得，即

其中：V为当地时均速度；l为当地距壁面最近距离。

边界条件设置：客舱内壁假设为绝热壁面；厨房和盥洗室等均为封闭块体，外壁为绝热壁面；乘员设为客舱内热源，热载荷为75W；前客舱、中客舱和后客舱供气温度均为13.5℃，流速均为2m/s；地板排气通道为自由出口；排气活门为自由出口；再循环系统流量设为0.3 kg/s；操作压力为 101 325 Pa；操作密度为1.225 kg/m3；环境温度为20℃。采用六面体非结构化网格划分计算区域，便于网格的自动生成及自适应处理，如图3所示。

图3 客舱区域网格生成Fig.3 Cabin zone grid generation

3 客舱气流组织影响分析

取y=0.55 m截面空气流速分布和温度分布情况来评价客舱气流组织，此截面为距离地板以上0.55 m的平面，正好处于乘员坐姿的腰部，可最大限度地表征乘员的舒适性。

3.1 基于供气温度的客舱气流组织研究

在基于供气温度研究客舱气流组织时，考虑大型民用飞机工程实际中均采用客舱区域温度控制的方式，分别研究前客舱、中客舱和后客舱不同供气温度对客舱气流组织的影响。

前客舱供气温度变化时，客舱空气温度分布如图4所示。可以看出，随着前客舱供气温度的升高，前客舱温度平均值升高，中客舱和后客舱温度影响较小；前客舱供气温度为8℃时，对客舱温度影响较大，整个客舱平均温度较低；前客舱供气温度为10℃、12℃、14℃时，对客舱平均温度影响较小。

图4 前客舱供气温度变化时的温度分布Fig.4 Temperature distribution under various forward cabin air supply temperatures

中客舱供气温度变化时，客舱空气温度分布如图5所示。可以看出，随着中客舱供气温度的升高，中客舱温度平均值升高，前客舱和后客舱温度影响较小；中客舱供气温度为14℃时，对客舱温度影响较大，整个客舱平均温度较高；中客舱供气温度为8℃、10℃、12℃时，对客舱平均温度影响较小。

后客舱供气温度变化时，客舱空气温度分布如图6所示。可以看出，随着后客舱供气温度的升高，后客舱温度平均值升高，对前客舱和中客舱温度分布影响较小。

综上所述，大型飞机客舱采用区域温度控制的方式，前客舱、中客舱和后客舱供气温度分别变化时，对其它客舱温度分布影响较小，同时也证明客舱气流组织设计良好。

3.2 基于地板排气通道面积的客舱气流组织研究

在基于地板排气通道面积研究客舱气流组织时，通过改变地板排气通道宽度来计算客舱空气流速分布和温度分布情况。

图5 中客舱供气温度变化时的温度分布Fig.5 Temperature distribution under various middle cabin air supply temperatures

地板排气通道宽度变化时，客舱空气流速分布如图7所示。可以看出，客舱排气通道宽度变小时，客舱空气流速分布变化影响不大；但客舱排气通道宽度过小（0.05m）时，客舱空气流速扰动很大，甚至达到18m/s左右。这是因为客舱排气通道过小，乘员区空气无法经过排气通道到达客舱底部，乘员区空气压力增大，流速增大。因而在设计大型民用飞机时，客舱地板排气通道必须留有足够的面积，否则会使客舱气流组织效果变差甚至不满足设计要求。

地板排气通道宽度变化时，客舱空气温度分布如图8所示。可看出，客舱排气通道宽度变小对客舱温度分布变化影响不大，但客舱排气通道宽度过小（0.05 m）时，客舱温度骤降。

3.3 基于再循环空气流量的客舱气流组织研究

在基于再循环空气流量研究客舱气流组织时，通过改变再循环空气流量来计算客舱空气流速分布和温度分布情况。客舱再循环空气流量变化会导致客舱供气口流速变化，通过计算得出，当再循环空气流量分别为客舱供气量的30%、50%、70%时，客舱供气口流速分别为 1.8 m/s、2 m/s、2.3 m/s，供气温度不变。

图6 后客舱供气温度变化时的温度分布Fig.6 Temperature distribution under various backward cabin air supply temperatures

在上述条件下，客舱空气流速分布如图9所示。可以看出，当客舱再循环空气流量变化时，客舱空气流速分布均匀，变化很小，同时说明客舱气流组织设计良好。这是因为客舱再循环空气流量变化并未导致客舱供气口流速显著增加。

客舱空气温度分布如图10所示。可以看出，当客舱再循环空气流量变化时，客舱空气温度分布均匀，变化很小，同时说明客舱气流组织设计良好。

3.4 基于排气活门安装位置的客舱气流组织研究

在基于客舱排气活门安装位置研究客舱气流组织时，通过改变客舱前排气活门的位置来计算客舱流速分布和空气温度分布情况。

客舱空气流速分布如图11所示。图11为前排气活门在x、y方向位置不变，在z方向分别为-9 m、-27 m、-45 m时客舱空气流速分布的计算结果。从图中可看出，客舱前排气活门安装位置的变化并不影响客舱空气流速的变化。

图7 地板排气通道宽度变化时的流速分布Fig.7 Velocity distribution under various floor air outflow widths

图8 地板排气通道宽度变化时的温度分布Fig.8 Temperaturedistributionundervariousfloorairoutflowwidths

图9 再循环空气量变化时的流速分布Fig.9 Velocity distribution under various recirculation airflows

图10 再循环空气量变化时的温度分布Fig.10 Temperature distribution under various recirculation airflows

客舱空气温度分布如图12所示。图12为前排气活门在x、y方向位置不变，在z方向分别为-9 m、-27 m、-45 m时客舱空气温度分布的计算结果，从图中可看出，客舱前排气活门安装位置的变化对客舱空气温度的变化影响不大。

图11 前排气活门安装位置变化时的流速分布Fig.11 Velocity distribution under various forward outflow valve positions

图12 前排气活门安装位置变化时的温度分布Fig.12 Temperature distribution under various forward outflow valve positions

4 客舱气流组织空气龄评价

客舱气流组织的评价指标主要有送风有效性指标、污染物排除有效性指标、热舒适指标和能量有效利用指标。送风有效性指标，一般由空气龄来定义，其表面意义是指空气在客舱内被测点上的停留时间，实际意义表征的是舱内旧空气被新鲜空气所替换的速度。通常采用示踪气体浓度自然衰减法来测定客舱空气龄，该方法尤其适用于舱内气流分布情况以及客舱供、排气口不确定时的情况。通过计算空气龄分布，对大型民用飞机客舱气流组织进行评价[21]，即

其中：τp为空气龄（s）；入口边界条件：τp=0；出口边界条件计算结果如图13所示。

图13 空气龄分布图Fig.13 Air age distribution

由图13可知，客舱空气龄数值沿航向左侧和右侧对称分布，从前客舱、中客舱到后客舱逐渐增大，说明头等舱空气最为新鲜，中客舱次之，经济舱最差。

5 结语

对大型飞机客舱气流组织的研究表明，客舱供气温度变化时会对本区域的客舱温度产生影响，而对其它客舱温度分布影响较小；文中设定的地板排气通道面积、再循环空气流量和客舱排气活门安装位置对客舱的空气温度分布和空气流速分布影响很小；地板排气通道面积过小时，客舱内空气无法排至客舱地板下部区域，导致客舱空气流速过大甚至不满足设计要求。同时对大型飞机客舱气流组织进行了评价，计算了客舱空气龄分布，结果表明头等舱空气最新鲜，商务舱次之，经济舱最差。