飞机客舱与登机廊桥内热舒适性数值模拟分析

郝贵和，梁小贝

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

飞机客舱与登机廊桥内热舒适性数值模拟分析

郝贵和，梁小贝

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津300300）

飞机停靠站时，需要桥载空调来维持飞机客舱和廊桥内部的热舒适性，合理的桥载空调控制既能保证要求的舒适程度，又可实现节能环保。为此对飞机客舱与登机廊桥环境进行数值模拟（CFD），分析其温度场和速度场，应用两者内部的空气分布特性和温度、风速的不均匀系数作为热舒适性评价指标，研究桥载空调送风速度与飞机客舱和廊桥内部热舒适性的关系。研究显示只有当送风速度选取适当才能保证空气分布特性指标（ADPI）取得最大值，在最佳送风速度时，不同的气流组织形式对热舒适性的影响不同，均匀的送风模式能更好地满足人们对热舒适性的要求。CFD研究得到的桥载空调送风速度及送风模式与热舒适性的关系，可为桥载空调的合理控制提供依据。

登机廊桥；桥载空调；热舒适性；CFD；气流组织

机载辅助动力源（APU，auxiliary power units）可为飞机机载电器、机载空调及其它设备提供电源[1]，但因其运行造成严重污染，国内越来越多的机场在飞机停靠站时，选择使用地面电源和桥载空调代替APU与机载空调[2]，以达到节能减排的目的。然而在使用桥载空调代替机载空调时，由于无法使用飞机客舱环境控制系统，所以需要设计桥载空调控制系统，以满足客舱中乘客对热舒适性的要求，同时满足桥载空调节约能耗的目的。另外，还需要研究廊桥内部气流组织形式对热舒适性的影响，得到最佳的送风模式。

国内外有很多学者研究客舱或高大空间舒适性方面的问题，这和客舱与廊桥内的热舒适性问题有相似之处。如应用CFD（computational fluid dynamics）技术对某数据中心机房的空调方式、气流组织、新风系统等进行数值模拟，仿真结果验证了气流组织设计的有效性[3-4]，这一关于室内环境的研究对本课题具有借鉴意义。近几年也有很多关于飞机客舱环境控制的研究，文献[5]应用CFD技术研究了A320飞机头等舱的热舒适性与送风速度之间的关系，为客舱内部的热舒适性研究提供依据。座舱气流组织分配对乘客舒适性和健康有直接影响[6-7]，研究中应用CFD技术在廊桥内选择合理的送风口布局，以满足乘客对热舒适性的需要。ZHANG Tengfei[8]对B767进行CFD仿真，比较了混合空气送风模式、地板送风模式和个性化送风模式对客舱内气流分布的影响。随着计算机处理能力的不断增强，CFD在航空航天中的应用越来越广泛。本论文应用CFD技术模拟飞机客舱与廊桥内部的温度场、速度场，确定最佳的桥载空调送风速度，同时研究了廊桥内送风口分布对气流组织的影响。

1 数值模型

1.1 客舱与廊桥的CAD模型

飞机的主要尺寸图是根据A320维修手册[9]进行建模的。廊桥上的送风口分布是目前机场中采用的方式，称为集中送风模式，如图1所示。图2为均匀送风模式，用于与图1的集中送风模式进行对比，研究登机廊桥内气流组织形式对热舒适性的影响。模型中建立了客舱模型、人体模型、廊桥模型，廊桥模型截取了靠近飞机部分。客舱外部条件为夏季白天，客舱空调设置为制冷模式。

图1 廊桥集中送风模式的模型Fig.1 Model of central air supply mode of bridge

图2 廊桥均匀送风模式的模型Fig.2 Model of uniform air supply mode of bridge

1.2 网格划分

对整个客舱与登机廊桥内部采用六面体网格，模型的边界面附近采用四面体网格。整个模型的网格数量为593.7万个，网格质量达到0.32以上，满足计算要求。模型划分的网格图，如图3所示。

1.3 边界条件

客舱内主要的热源来自外部太阳辐射、人体辐射。FLUENT提供了太阳加载模型对计算域中太阳辐射热流的作用进行仿真。需要输入的参数有位置（纬度、经度和时区）、起始日期和时间、网格指向等，这3个是主要参数。本文选择的城市是天津市，其纬度为北纬39°13′N，经度为东经117°20′E，时区为东8区。起始日期时间为6月20日13点整，指向为飞机正对南方。这一时间的气温一般在30℃左右，太阳高度角为74.5°，光照强度很高。

按照对空气温度影响机理不同，人体热源的散热方式可分为两种：①直接散热，包括对流、呼吸散热以及人体散湿形成的潜热；②间接散热，即人体辐射散热。根据以上两种散热方式建立人体的热平衡方程，进而建立人体热源模型。通常采用的计算模型是根据ASHRAE2009[10]中关于人体散热的计算方法，同时根据文献[11-12]中关于人体散热的研究，最终得出人体表面的发热量为80 W/m2。因为本文考虑的是夏天情况，人们着装比较单薄，所以假设这个热量可以直接辐射到客舱内部。

飞机桥载空调是变风量空调，所以送风口温度不变，经测温仪器得到送风温度为15.5℃，仿真中设置为288 K，湍流强度为5%，水力直径设置为0.05 m。查阅文献[13]可得到玻璃与合金的导热率、吸收率和透射率，仿真中对于飞机的窗户和廊桥两边的玻璃面设置为半透明的边界面，热传导率设置为0.3 W/m·k直接可见光吸收率设置为0.1，直接红外吸收率也设置为0.1，而直接可见光透射率设置为0.8，直接红外透射率也设置为0.8。飞机蒙皮和廊桥顶部、底部的边界面都设置成不透明的边界面，边界面直接可将光吸收率设置为0.65，直接红外吸收率也设置为0.65。但是，由于飞机壁面的隔热性能良好，其边界的热传导率设置为0.45 W/m·k，而廊桥顶部和底部边界面的导热率设置为1.15 W/m·k。

图3 模型网格Fig.3 Model grids

2 评价指标

2.1 空气分布特性指标

空气分布特性指标（ADPI,air diffusion performanceindex）定义为满足规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比。ADPI是综合考虑空气温度和风速对人体的影响而提出的。有效温差与客舱内风速存在以下关系[14]

其中，△ET为有效温差；vi为客舱内某点的空气流速；ti为测点温度；tm为客舱内的平均温度。

当△ET在-1.7～1.1℃，vi＜0.35 m/s时，多数人感觉舒适。ADPI的计算式为场；图8、图9为登机廊桥均匀送风模式下的温度场和风速场。

2.2 不均匀系数

客舱和廊桥内气流组织的表现形式为温度、风速等均有不同程度的差异。这种差异可以用不均匀系数指标来评价[14]。

在工作区内选择n个测点，分别测得各点的温度和风速，求其算数平均值为

均方根偏差为

则不均匀系数的定义为

温度不均匀系数kt、速度不均匀系数kv都是无量纲数。kt、kv的值越小，表示气流分布的均匀性越好。

3 仿真结果分析

3.1 客舱与廊桥内采样面与采样点的选取

如图4所示，在仿真结果中截取8个截面，然后在每个截面上按图5所示选取4个采样点。其中对截面1、截面2、截面3的数据结果处理得到客舱内部的ADPI和不均匀系数，对截面4、截面5、截面6、截面7、截面8的数据结果处理得到廊桥内部的ADPI和不均匀系数。

3.2 FLUENT仿真温度场和速度场

本文只列举出送风速度为1m/s的仿真结果，图6、图7为登机廊桥集中送风模式下的温度场和风速

图4 仿真结果的采样截面Fig.4 Sampling section of simulation results

图5 客舱截面与廊桥截面上的采样点Fig.5 Sampling points on cabin and bridge section

图6廊桥集中送风模式下送风速度1 m/s的温度场

Fig.6Temperature field with air velocity 1 m/s in central air supply mode

图7 廊桥集中送风模式下送风速度1 m/s的风速场Fig.7 Wind field with air velocity 1 m/s in central air supply mode

图8 廊桥均匀送风模式下送风速度1 m/s的温度场Fig.8 Temperature field with air velocity of 1 m/s in uniform air supply mode

图9 廊桥均匀送风模式下送风速度1 m/s的风速场Fig.9 Wind field with air velocity of 1 m/s in uniform air supply mode

3.3 仿真结果处理

在廊桥集中送风模式中，对客舱内部的采样截面按照图5所示，从送风速度为1 m/s仿真结果中采集采样点处的温度ti、风速vi，其中i=1，2，…，12。计算这12个温度的平均值得到计算有效温差所需的tm。结合式（1）得到客舱内12个采样点处的△ETi，再由式（2）可以得到送风速度为1 m/s时度客舱内的ADPI。分别计算出送风速度v=0.2，0.4，…，2 m/s情况下客舱内的ADPI，结果如图10所示。

图10 廊桥集中送风模式下客舱内ADPI-v曲线Fig.10 ADPI-v curve inside cabin in central air supply mode

在廊桥的集中送风模式中，对于登机廊桥内部的采样面，按照图5所示，从送风速度为1 m/s仿真结果中采集采样点处的温度tj、风速vj，其中j=1，2，…，20。按照上述的方法分别计算出登机廊桥内部送风速度v=0.2，0.4，…，2 m/s情况下的ADPI，结果如图11所示。

图11 廊桥集中送风模式下廊桥内ADPI-v曲线Fig.11 ADPI-v curve inside bridge in central air supply mode

由图11可得到在送风速度为1.2 m/s的时候廊桥内部的ADPI最大。采集这个送风速度时，廊桥内部采样面上的采样点处的温度tj、风速vj，其中j=1，2，…，20，带入式（3）～式（8），把温度由开尔文转换为摄氏度，计算出温度不均匀系数kt=0.054、速度不均匀系数kv=0.161 3。

同理，可以得到在廊桥的均匀送风模式下，客舱内的ADPI与送风速度的关系曲线如图12所示，和廊桥内的ADPI与送风速度的曲线关系如图13所示。

图12 廊桥均匀送风模式下客舱内ADPI-v曲线Fig.12 ADPI-v curve inside cabin in uniform air supply mode

图13 廊桥均匀送风模式下廊桥内ADPI-v曲线Fig.13 ADPI-v curve inside bridge in uniform air supply mode

由图13可得在送风速度为1 m/s时，廊桥内部的ADPI取得最大，计算出此时的温度不均匀系数kt= 0.011 2、速度不均匀系数kv=0.091 2。

4 结语

1）由图10～图13可得到飞机客舱与登机廊桥内部的热舒适性与送风速度具有密切关系，只有当送风速度合适才能使客舱与廊桥内部达到最好的热舒适性。论文中的CFD仿真结果可为桥载空调的控制提供依据。

2）通过对廊桥集中式送风模式与均匀送风模式的CFD仿真结果比较，以温度不均匀系数、速度不均匀系数作为气流组织的指标，结果表明均匀送风模式下登机廊桥内部的不均匀系数明显减小。所以，均匀送风模式的气流组织比目前机场采用的集中送风模式好。

[1]李龙海,张积洪．民用航空器机载APU污染排放及节能运行研究[J].环境科学与技术,2013,36(10):34-38.

[2]崔沈夷．飞机地面空调的选用及其节能意义[J].暖通空调,2013,43 (7):30-36.

[3]陈修敏,张九根.数据中心机房空调系统设计及气流优化分析[J]．流体机械,2014,42(11):79-86.

[4]沈向阳,陈嘉澍,卓献荣,等.数据机房冷区内气流组织的优化[J].流体机械,2014,42(3):71-75.

[5]林家泉,梁小贝,陈维兴,等.A320飞机客舱热舒适性的数值模拟研究[J].流体机械,2015,43(5):75-78.

[6]孙贺江,李卫娟,杨斌．客机座舱新型个性座椅送风系统的数值仿真[J]．天津大学学报(自然科学与工程技术版),2013,46(1):16-21.

[7]孙贺江,安璐,冯状波,等.客机驾驶舱流场CFD模拟与热舒适性分析[J].天津大学学报,2014,47(4):298-303.

[8]ZHANG TENGFEI,CHEN QINGYAN．Novel air distribution systems for commercial aircraft cabins[J]．BuildingandEnvironment,2007,42(4): 1675-1684.

[9]AIRBUS.A320/A320NEO Aircraft Characteristics Airport and Maintenance Plannig AC.2-5-0[G].2014.

[10]ASHRAE.ASHRAE Handbook of Fundamentals Thermal Comfort[S]. Atlanta:ASHRAE,2009.

[11]何卫兵.飞机座舱内人体显热散热量的实验与模拟研究[D].天津:天津大学,2014.

[12]李超,齐朝晖,张成方,等.CFD技术在人体耦合散热及热舒适性方面的应用[J].热科学与技术,2010,9(4):356-362.

[13]温正.FLUENT流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社, 2013.

[14]李先庭,赵彬.室内空气流动数值模拟[M].北京:机械工业出版社,2009.

（责任编辑：刘智勇）

Numerical analysis of thermal comfort inside aircraft cabin and departure lounge bridge

HAO Guihe,LIANG Xiaobei
（College of Electronic Information and Automation,CAUC,Tianjin 300300,China）

Bridge-load air conditioning is used to maintain the thermal comfort inside aircraft cabin and lounge bridge when an aircraft docks at airport.Reasonable bridge-load air conditioning control should keep the required thermal comfort,and realize energy saving for environmental protection.Numerical simulation(CFD)of aircraft cabin and lounge bridge environment including temperature field and velocity field is made.ADPI(air diffusion performance index),irregularity coefficient of temperature and speed are chosen as thermal evaluation indicators to study the relationship between fresh air supply speed of bridge-load air conditioning and thermal comfort inside the aircraft cabin and lounge bridge.CFD simulation results show that only when the speed of air supply is set appropriately, the ADPI reaches maximum.With the optimum air supply speed,different modes of air supply have different effect.Uniform air supply mode is better than central air supply mode.The results will improve bridge-load air conditioning control.

departure lounge bridge;bridge-load air conditioning;thermal comfort;CFD;air distribution

V245；TK511

A

1674－5590（2017）01－0007－04

2016-03-16；

2016-04-20基金项目：国家自然科学基金项目（U1433107）

郝贵和（1971—），男，辽宁阜新人，讲师，硕士，研究方向为飞机客舱能耗预测控制.