一种清除引气污染物的空调梯形信号送风方法

周立祥，林家泉

中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300

据统计，民航飞机在起飞、滑行、降落阶段会排放大量的NOx、CO、SO2、细颗粒物（PM2.5）等空气污染物［1］，致使机坪空气品质降低。飞机起飞前需要在跑道外等待20 min左右，这期间，飞机引气系统会将机坪大量的空气污染物直接带入客舱，这些引气污染物难以通过再循环风扇快速滤除［2］，乘客长时间暴露在这种环境中将会出现健康问题［3］。因此，如何快速清除客舱内部的引气污染物对乘客及机组人员的健康具有重要意义。

目前，国内外对于飞机客舱内污染物的扩散已有不少研究，包括不同送风方式下污染物的扩散规律研究，代炳荣等［4］研究了不同污染物在不同送风方式下的分布情况，得出天花板送风方式和个性化送风方式有较好的排污效果；陈希远等［5］研究表明，在混合送风方式下有助于空气污染物的扩散，而天花板送风方式会抑制空气污染物在客舱内大范围扩散；杨建忠等［6］研究了不同送风方式下改变再循环风比例对引气污染物的扩散影响，发现增加再循环风比例可以提高天花板送风方式和混合送风方式的排污效率。但是这些研究都是采用常规的客舱空调恒值信号送风，存在不能快速清除客舱内污染物的问题。

增加客舱空调的通风量是一个有效提高客舱内污染物排除速率的方法［7-10］。但是，客舱空调通风量的提高会造成飞机燃油消耗增加。Mesenhöller等［11］对非稳态通风进行了总结，发现非稳态通风可以增强室内空气的混合效果，并可以防止室内形成稳定的大涡，从而在不增加通风量的同时改善室内的空气品质。Wu和Ahmed［12］提出客舱空调使用方波信号送风，新鲜空气进入客舱后会持续震荡，增强了新鲜空气与客舱空气的混合效果，在不增加通风量的同时提高了排污效果；但该方案并没有考虑乘客的热舒适性。林家泉和戴仕卿［2］对比了方波信号送风和恒值信号送风在不同送风方式下的排污效率，发现方波信号送风具有更好的排污效果，但存在乘客热舒适性较差的问题。林家泉等［13］研究得出客舱空调采用正弦信号送风解决了方波信号送风乘客热舒适性较差的缺点，但排污效果较恒值信号送风提升较小。

综上所述，为了在不增加通风量的前提下提高客舱空调对客舱内引气污染物的排除效果并保证乘客热舒适性，提出客舱空调梯形信号送风。模拟计算客舱空调使用梯形信号送风与恒值信号送风在天花板送风、侧壁送风、混合送风方式下的舱内流场特征及空气污染物的扩散规律。在相同边界条件下采用等效稀释通风量指标来评估梯形信号送风、恒值信号送风、正弦信号送风、方波信号送风的排污效果，并考虑采用非稳态送风，变化的风速会导致乘客周围流场波动，可能会对乘客造成不适，故结合吹风感指标（Draft Rating，DR）评估乘客热舒适性，从而找出飞机客舱空调的最佳送风工况，以期为快速清除客舱内引气污染物提供参考依据。

1 客舱模型

1.1 飞机客舱CFD模型

采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术，建立Boeing737飞机经济舱仿真模型。客舱模型见图1。

图1 客舱模型Fig.1 Model of cabin

客舱顶部有2条天花板送风口，行李架边沿共有10条侧壁送风口，地板处共有10条排风口，过道两侧分布着5排6列共30个座位。使用四面体划分法对整个客舱模型进行网格划分，并在送风口、排风口等复杂流场区域精细化网格，进行网格无关性验证以排除网格数量对仿真计算的影响，划分网格数量为534万个。

1.2 数值模型

使用CFD技术对飞机客舱进行仿真，在湍流计算中使用湍流模型RNGk-ɛ可以得到较为准确的结果，湍流模型的控制方程［14］为

1.3 客舱CFD模型验证

使用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）技术测得实验舱风速场，并将其与仿真得到的结果进行对比以验证客舱模型的准确性。实验舱如图2所示。

图2 实验舱Fig.2 Experimental cabin

使用烟雾发生器产生平均粒径为1.5 μm的颗粒作为示踪粒子，从实验舱的天花板送风口、侧壁送风口送入实验舱，然后在第2排与第3排中间使用相机采集流场数据，单次采集区域大小为900 mm×600 mm，再利用数据处理将采集到的各区域进行拼接处理得到风速场，并将其与CFD仿真得到的风速场进行对比，结果如图3所示。由图可知，PIV实验结果与仿真结果得到的气流运动特征基本一致。因此，可以认为该客舱模型准确可靠。

图3 PIV实验和仿真结果Fig.3 PIV experiment and simulation results

1.4 仿真边界条件设定

模拟计算中选取NO2为空气污染物，先向客舱通入50 s空气，其中包含质量分数为5×10-5的NO2，然后持续200 s送入新鲜空气进行排污。客舱空调在恒值信号送风和梯形信号送风下送风量一致，送风信号以50 s为一个周期，进行250 s，5个完整周期的送风，各工况下各送风口送风速度如表1所示，表中t的单位为s。其中混合送风方式为侧壁送风口与天花板送风口同时工作。

表1 送风速度Table 1 Air supply speed

以侧壁送风方式为例，客舱空调梯形信号送风和恒值信号送风风速图如图4所示。

图4 侧壁送风下2种信号送风速度Fig.4 Two signal air supply velocities in side wall air supply mode

2 客舱仿真结果

对比研究客舱空调采用恒值信号送风和梯形信号送风时，在天花板送风、侧壁送风、混合送风方式下对客舱进行250 s、包含5个完整周期的送风，且每个周期内不同工况下的总送风量保持一致。

2.1 流场涡结构模拟

涡旋会导致客舱内某些区域空气污染物浓度较高，出现空气污染物“锁定”现象［15］，在以涡量为主的流场区域，客舱中空气污染物更易聚集，难以被排出舱外［16-17］；客舱流场的变化对舱内污染物的传播具有重要影响［18］。所以，采用Omega涡识别方法，观测客舱流场涡结构的变化，计算公式［19］为

式中：A为流场运动的变形部分；B为流场运动的涡量部分；ε为极小正数，用以防止出现零除零现象；Ω为涡量平方除以涡量平方和变形平方之和的比值。

由于涡旋在流体运动中始终为涡量和变形量的混合，当Ω≥0.52时认为该区域形成了涡旋且数值越大涡强度越高。

图5为3种送风方式下，客舱空调采用恒值信号送风时，不同时刻客舱第2排乘客与第3排乘客之间的流场涡结构图。如图所示，Ω≥0.52的区域为涡旋区域，客舱空调使用恒值信号送风时，天花板送风方式下，客舱中涡主要集中在客舱两侧，大涡稳定存在，只有较小的涡结构发生变化。侧壁送风方式下，涡主要分布在客舱两侧，t=200 s时，客舱两侧存在的2个大涡，t=225， 250 s时，客舱两侧的大涡消失，出现几个较小的涡，但是位置未发生明显改变。混合送风方式下，t=200， 225 s时，涡主要分布在客舱两侧，过道位置处较少，t=250 s时，客舱中涡分布更为零散，过道位置形成更多的涡。综上所述，客舱空调采用恒值信号送风，流场涡结构变化较明显的是混合送风方式，变化最为平缓的是天花板送风方式。

图5 采用恒值信号送风时客舱内部流场涡结构Fig.5 Vortex structure of mixed air supply mode at cabin interior （constant value signal）

图6为客舱空调采用梯形信号送风时，3种送风方式下、不同时刻客舱第2排乘客与第3排乘客之间的流场涡结构图。

图6 采用梯形信号送风时客舱内部流场涡结构Fig.6 Vortex structure of mixed air supply mode at cabin interior （trapezoidal signal）

天花板送风方式下，涡结构发生了明显的变化，t=200 s时，涡主要分布在乘客头顶高度；t=225 s时，涡主要分布在客舱两侧乘客躯干高度；t=250 s时，涡主要分布在乘客头顶高度。侧壁送风方式下，t=200 s时，涡的分布较为零散，以小面积涡的形式存在；t=225 s时，客舱地板位置处形成了一个横跨过道的大涡；t=250 s时，涡以小面积的形式零散的分布在客舱两侧及天花板位置。混合送风方式下，t=200 s时，涡主要分布在乘客头顶高度及客舱两侧地板位置处；t=225 s时，在客舱两侧乘客头顶高度形成2个大涡，并在天花板、过道、地板形成多个较小的涡；t=250 s时，涡主要分布在乘客头顶高度及客舱两侧地板位置处。

综上所述，客舱空调采用梯形信号送风比采用恒值信号送风的流场涡结构变化更为明显，其中变化最明显的是客舱空调采用梯形信号送风时的天花板送风方式。

2.2 污染物浓度场模拟

图7为t=250 s时客舱空调使用2种送风信号在3种送风方式下的乘客呼吸区客舱横截面空气污染物NO2质量分数分布图。

图7 t=250 s时恒值信号、梯形信号送风下呼吸区截面NO2分布Fig.7 Distribution of NO2 in respiratory area with onstant value signal and trapezoidal signal air supply at t=250 s

对比客舱空调使用梯形信号送风与恒值信号送风，在同种送风方式下，采用梯形信号送风时乘客呼吸区污染物浓度较低。客舱空调采用恒值信号送风时，天花板送风方式下的乘客呼吸区NO2质量分数最高，混合送风方式下的乘客呼吸区NO2质量分数最低；客舱空调采用梯形信号送风时，侧壁送风方式下的乘客呼吸区NO2质量分数最高，天花板送风方式下的乘客呼吸区NO2质量分数最低。飞机客舱空调在不同工况下呼吸区NO2质量分数如图8所示。

图8 客舱呼吸区NO2质量分数Fig.8 Mass fraction of NO2 in respiratory area

由图8可得，在乘客呼吸区，客舱空调使用梯形信号送风相比于恒值信号送风，在天花板送风、侧壁送风、混合送风方式下NO2质量分数分别下降了45.2%、20.6%、22.9%。

综上所述，在乘客呼吸区，梯形信号送风比恒值信号送风有更好的排污效果，其中客舱空调采用梯形信号送风时的天花板送风方式具有最佳的排污效果。结合流场涡结构分析可知，梯形信号送风具有更好的混合空气的效果，其变化的流场可以打破采用恒值信号送风时存在的空气滞留区，从而有利于污染物的清除。

3 客舱排污效果评价

使用等效稀释通风量指标来评价客舱空调在采用梯形信号送风下的排污效果，并与客舱空调采用恒值信号送风、正弦信号送风、方波信号送风进行对比。

在经典的全面通风理论中，假定舱外向舱内通入新风可以瞬间与舱内原带有污染物的空气均匀混合，再将混合后的气体排出舱外，从而稀释污染物浓度。通风后的舱内污染物浓度可以通过仿真得到，并可反推出此次通风等效的理想状态下的通风量，通风量的计算公式［20］为

客舱空调在不同工况下等效稀释通风量的计算结果如图9所示。由图可知，客舱空调采用的梯形信号送风相比于采用恒值信号送风，在天花板送风、侧壁送风、混合送风方式下等效稀释通风量分别提高了78.2%、34.3%、23.1%。其中，采用梯形信号送风时，天花板送风方式具有最高的等效稀释通风量。因此，可以判断客舱空调采用梯形信号送风比采用恒值信号送风有更好的排污效果。

图9 不同工况的等效稀释通风量Fig.9 Diluting flow rates under different conditions

在相同边界条件下，将客舱空调采用梯形信号送风与正弦信号送风和方波信号送风进行对比，如图9所示，客舱空调使用梯形信号送风排污效果要劣于方波信号送风，但优于正弦信号送风。

4 乘客热舒适性分析

客舱空调使用非稳态信号送风（梯形信号送风、方波信号送风和正弦信号送风）会产生风速的波动，导致湍流强度增加，致使人体吹风感加强，从而引起乘客不适。因此，以吹风感指数DR为指标，评价不同工况下乘客的热舒适性，按照美国空气质量和温度控制协会标准ASHRAE 113-2013要求DR＜20%，计算公式［13］为DR=(34-ti)(vi-0.05)0.62(0.37viTu+3.14)（4）式中：vi为监测位置空气流速；ti为监测位置空气温度；Tu为监测位置湍流强度。

由于空调非稳态信号送风风速不断变化的特性，选择其送风速度达到高风速阶段的时间，分别计算5排乘客位置处的DR值。图10为不同工况下各排乘客位置处DR值。由图10可知，空调采用方波信号送风在天花板送风方式下和混合送风方式下，乘客周围的DR值均高于20%，不符合热舒适性要求。客舱空调使用梯形信号送风、正弦信号送风、恒值信号送风，乘客位置处的DR值均低于20%，符合乘客热舒适性的要求。

图10 乘客周围截面吹风感指数（DR）Fig.10 DR of cross section around passengers

5 结论

在所设定仿真边界条件下，对比飞机客舱空调使用梯形信号送风、恒值信号送风在天花板送风方式、侧壁送风方式、混合送风方式下的流场结构。使用等效稀释通风量指标、吹风感指标评估客舱空调在不同工况下的对空气污染物NO2排除效果及乘客热舒适性，得到以下结论：

1） 相比于恒值信号送风，客舱空调采用梯形信号送风使客舱流场变化更为剧烈，具有更好的混合舱内空气的效果，从而可提高客舱中空气污染物的清除效果。

2） 在乘客呼吸区，客舱空调采用梯形信号送风具有比恒值信号送风更好的排污效果，其中梯形信号送风下的天花板送风方式具有最佳的排污效果。相比于恒值信号送风，梯形信号送风在天花板送风、侧壁送风、混合送风方式下NO2质量分数分别下降了45.2%、20.6%、22.9%。

3） 采用梯形信号送风拥有比恒值信号送风更好的客舱排污效果，其中，梯形信号送风下天花板送风方式具有最好的排污效果。相比于恒值信号送风，梯形信号送风在天花板送风、侧壁送风、混合送风方式下等效稀释通风量分别提高了78.2%、34.3%、23.1%。

4） 客舱空调采用梯形信号送风在乘客周围具有较高的吹风感，但其DR值仍然低于20%，符合乘客热舒适性的要求。

5） 客舱空调使用非稳态信号送风的排污效果优于恒值信号送风，其中方波信号送风排污效果最佳，但使用方波信号送风在天花板送风方式、混合送风方式时乘客位置处的DR值高于20%，不符合乘客热舒适性的要求；客舱空调使用梯形信号送风排污效果优于正弦信号送风。