民用飞机个人通风送风温度对人体舒适性的影响

刘毓迪，孙学德，张存，南国鹏

中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210

随着人们出行需要的日渐增加，飞机成为一种主流的交通工具。由于飞机座舱存在空间密闭、活动范围小、人员密集的特点，在旅途中通过飞机的环控系统为旅客和机组成员营造一种健康、舒适的座舱环境就显得尤为重要。座舱的气流组织由环控系统的主通风系统负责，而考虑不同乘客个体对舒适性需求的各异性，通常飞机中还会采用个人通风的设计，尤其是在炎热的夏季，不少乘客会借助个人通风系统满足自身对热舒适性的要求。重庆大学的方赵嵩对不同季节下23个航班舱内的热舒适性进行问卷调查，结果60%的乘客认为有必要设置个人通风系统，并且调节的主要部位集中在头部和上身部位[1]。

目前国内外关于座舱舒适性已经有不少试验和数值模拟的研究，但是其主要关注了座舱内主通风系统的流场和温度场特性[2-8]或者座舱内污染物例如CO2、挥发性有机物(VOC)、颗粒物以及病菌的传播等[9-14]。关于个人通风方面的研究，较多的关注点是提出一种新型的个人通风方式以提高人体舒适性，例如Zhang和Chen提出了一种椅背送风方式[15]。针对现有商用飞机喷嘴式个人通风系统的研究较少，主要是采用试验结合问卷调查的方法[1-2]，虽然能够在一定程度上判断乘客的主观热舒适性，但是由于需要较大的样本数量才能具有统计学意义，并且受试者的性别、年龄、心理状况等个人主观因素都会对结果产生影响，使得研究结果具有一定的局限性。另一方面，试验舱的搭建耗时长，成本高，且只能复现座舱内部的环境，较难重现送风格栅上游管道的真实构型，舱内的气流环境也会有异于真实情况。

关于人体热舒适性的评价标准，应用最为广泛的是Fanger提出的热舒适方程[16]，基于热舒适性方程的舒适性评价指标PMV也经常被用于飞机座舱的舒适性评估[17]。但是这个方程涉及参数较多，计算比较复杂，为了寻求一种简单的可以客观评价人体热舒适的方法，有研究引入了平均皮肤温度，认为可以用平均皮肤温度来评价人体热舒适[18]。刘蔚巍[19]通过人体试验，从生理学角度对26种基于人体平均皮肤温度的有效人体热舒适模型进行客观评价，找出一种现有最适用于人体热舒适评价的计算方法。

本文中采用计算流体力学(CFD)数值模拟的方法，使用商业软件Star CCM+对某真实商用飞机的3排座舱(包括内饰和主通风系统部分送风管道)进行建模。首先利用软件自带热舒适模型估算稳定状态下的座舱平均温度。然后结合该温度下人体的散热量，模拟计算出个人通风送风温度为7、12、14 ℃时，座舱内的气流组织和温度分布情况。通过将数值模拟结果与试验结果进行对比，验证了数值计算的准确性。最后计算出不同个人通风送风温度下，目标乘客的平均皮肤温度，客观评价不同个人通风送风温度对乘客热舒适性的影响，对于个人通风送风参数的确定和优化具有重要的参考意义。

1 数值模拟

本文对某真实商用飞机3排座舱进行建模，模型尺寸为3.7 m×3 m×2.2 m，模型包括客舱主通风系统进入客舱之前的部分连接管道，以保证送入舱内的气流符合真实情况，方赵嵩[1]的研究表明飞机个人通风喷嘴符合圆形射流衰减规律，因此个人通风送风口的气流组织特性与上游关系不大，模型中仅画出送风口截面代替。舱内含有 3排经济舱座椅，共18名乘客，座舱模型如图1所示。

本文采用地面热天工况来模拟设置边界条件，具体如表1所示。3排座舱的前后界面设置为周期性边界条件，出口设置为压力出口。通常认为座舱主送风为左右两侧对称，且沿轴向均匀分布，表1中给出的是单侧每排座椅的主送风流量。窗户的穿透率设置为0.65，座舱照明功率为每排86 W，乘客阅读灯功率为每人1.5 W，乘客服务系统功率为每侧每排40 W，其他设置为默认值。采用稳态Realizablek-ε模型进行计算。

根据段然[20]的研究，合理的网格疏密分布能够在保证网格质量的同时减少网格数量。在靠近壁面、假人和送风口等边界处进行网格加密，而远离边界的区域网格尺寸加大，以得到疏密有致的网格分布。本文采用该研究中推荐的尺寸对图1中模型进行网格划分，得到数量约为1 100万的网格。为了验证计算结果与网格数量的独立性，基于相同的加密原则，在调整网格大小的基础上，分别得到网格数量为800万和1 500万的计算模型，结合Star CCM+软件自带舒适性模型，对3种不同密度的网格模型分别进行计算，图2中展示了3种不同密度网格情况下座舱第2排走廊中轴线位置各点的速度随高度的变化情况。网格数量为1 100万和1 500万的情况下，目标位置各点速度随高度的变化趋势基本一致，而网格数量为800万时，在靠近地板和天花板的位置，目标点的速度偏差较大。考虑到计算时间等因素，本文认为采用1 100万网格进行计算的结果已经能够满足需求。下文中将使用1 100万网格的计算结果进行分析。

图1 某商用飞机3排座舱模型(为显示内部结构，前界面已隐藏)Fig.1 3-row cabin model of a commercial aircraft (front interface is hidden to show inner structure)表1 边界条件Table 1 Boundary conditions

工况地板总传热系数/(W·K-1)侧壁板温度/℃窗户温度/℃天花板温度/℃太阳辐射[18]/W主送风温度/℃主送风流量/(kg·s-1)个人通风温度/℃每侧每排座椅的主送风流量/(m3·s-1)个人通风关157.825.343225.34113070.044157.825.343225.34113070.04470.0033个人通风开157.825.343225.34113070.044120.0033157.825.343225.34113070.044140.0033

采用1 100万网格、Star CCM+软件自带舒适性模型和表1中其他边界条件，计算得到不打开个人通风的情况下，舱内的稳定平均温度为19.8 ℃，满足美国采暖、制冷与空调工程师学会关于商用飞行器内部空气质量的标准ASHRAE Standard 161-2007的要求，即在地面时舱内温度控制范围为18.3～23.9 ℃[21]。由于个人通风流量占总送风量比例很小，可以认为个人通风打开和关闭情况下座舱内的平均温度相差不大。在此温度下，乘客散热量的计算表达式为

QM=188-4.7Tc

(1)

式中：QM为人体散热量， W；Tc为座舱内平均温度，℃。根据式(1)，可计算得到乘客的散热量为94.94 W[20]。

根据表1，关闭Star CCM+自带舒适性模型，并将计算得到的乘客散热量作为边界赋值，将乘客作为热源，采用1 100万网格分别计算个人通风送风温度为7、12、14 ℃情况下的温度和速度场。由于计算选用的是3排座舱，选取最接近真实情况的中间一排进行分析，具体结果见第3节。

图2 网格独立性分析Fig.2 Analysis of gird independence

2 试验验证

为了验证数值模拟的准确性，本文采用试验的方法对不同个人通风送风温度时，假人模型头部位置的温度进行测量。试验原理如图3所示。

试验室环境温度稳定在21 ℃左右，使用小型恒温舱通过真实飞机个人通风喷嘴向下方假人模型头部送风。喷嘴距离假人的头部距离设置为584、614、836 mm，分别对应了飞机上经济舱靠窗，中间以及靠近过道位置的个人通风喷嘴到乘客头部的距离。空气流量为0.003 m3/s，调节空气温度为7、12和14 ℃，分别测量不同距离时，乘客头部附近的温度值。试验装置如图4所示。

图3 试验原理图Fig.3 Diagram of test principle

图4 试验装置图Fig.4 Diagram of test facility

3 结果分析

3.1 模拟结果

本文模拟的座舱模型如图1所示，与目前市场上的主流机型类似，客舱主通风由行李箱附近的左右各3对送风口完成，每对送风口包括天花板顶部和行李箱下部2种，气流在座舱内充分流动后，通过侧壁板底部的排风格栅排出舱外。个人通风按照飞机座舱通风系统验证的典型工况设置开闭情况，即与打开的个人通风喷嘴相邻的个人通风喷嘴关闭，保证共有50%的个人通风喷嘴打开。因此本次模拟中共打开个人通风喷嘴9个，关闭的个人通风喷嘴由于没有气流，在模型中没有画出。为了保证结果的准确性，本文选取中间一排的乘客作为研究对象，图5中给出了不同个人通风送风温度(Tiv)下，中间一排乘客截面的流场分布情况。

根据图5可以看出，3种个人通风送风温度下，乘客头部附近流速分布比较接近。除了受个人通风影响的区域，人体周围的流速在0.2 m/s左右。个人通风打开位置乘客头部风速较大，部分区域达到或超过1 m/s。基本满足ASHRAE Standard 161-2007中的规定：坐着的乘客和乘务人员的周围风速应小于0.36 m/s；当个性化送风喷嘴开启时人体头部高度的风速应大于1 m/s。

表2所示为不同个人通风送风温度下乘客头部平面、脚部平面、最左侧乘客中线截面和最右侧乘客中线截面的平均温度。当个人通风送风温度从7 ℃ 升高到14 ℃时，乘客头部平面平均温度波动为0.4 ℃，脚部平面平均温度波动为0.6 ℃，最左侧乘客中线截面平均温度波动为0.4 ℃，最右侧乘客中线截面平均温度波动为0.5 ℃。垂直温差不超过0.5 ℃，水平温差不超过1.1 ℃。满足ASHRAE Standard 161-2007中关于水平温差小于4.4 ℃，垂直温差小于2.8 ℃的要求。

图5 不同个人通风送风温度下中间一排座位截面速度分布图Fig.5 Distribution of velocities of middle-row section at different individual ventilation temperatures表2 不同个人通风送风温度下座舱内温度分布Table 2 Distribution of temperature in cabin at different individual ventilation temperatures

工况头部温度/℃脚部温度/℃垂直温差/℃最左侧温度/℃最右侧温度/℃水平温差/℃Tiv=7 ℃17.818.10.319.920.91.0Tiv=12 ℃18.218.60.420.221.31.1Tiv=14 ℃18.218.70.520.321.41.1

3.2 试验结果

表3中展示了试验测量的结果，可以看出不同个人通风送风温度下，同一排不同座位的乘客头部区域温度基本没有差别。随着个人通风送风温度的升高，乘客头部区域的温度也有少许的升高，但是变化很小,在0.8 ℃以内。从试验结果上来看，不同个人通风送风温度对乘客头部位置的温度影响很小。

表3不同个人通风送风温度下乘客头部位置测量温度

Table3Measuredtemperaturenearpassengerheadatdifferentindividualventilationtemperatures

工况喷嘴与乘客头部距离/mm乘客头部位置温度/℃Tiv=7 ℃58419.761419.883619.9Tiv=12 ℃58420.361420.383620.3Tiv=14 ℃58420.561420.283620.4

方赵嵩采用现役A320飞机个人通风喷嘴元件对个人通风喷嘴等温湍流衰减规律进行试验研究，发现该喷嘴射流符合圆形射流的衰减规律。因而在周围环境空气流速较小，并且温度变化不剧烈的情况下，飞机个人通风喷嘴的送风气流速度和温度基本不受周围环境的影响[1]。所以，可以认为试验结果与数值模拟结果具有可比性。

表4中对比了不同个人通风送风温度下乘客头部区域平均温度的数值模拟和试验结果，可见在不同个人通风送风温度下，乘客头部区域的温度差别不大，都在0.6 ℃以内。试验值皆略高于模拟值，这与试验室模拟舱内的平均温度略高于模拟结果有关，误差属于可以接受范围内。

表4不同个人通风送风温度下乘客头部区域平均温度模拟值和试验值对比

Table4Comparisonofsimulatedandmeasuredaveragetemperaturenearpassengerheadpositionatdifferentindividualventilationtemperatures

工况头部区域平均温度/℃模拟值试验值Tiv=7 ℃17.819.8Tiv=12 ℃18.220.3Tiv=14 ℃18.220.4

3.3 基于平均皮肤温度的舒适性分析

本文采用平均皮肤温度的方法对不同个人通风送风温度下乘客的舒适度进行评估，选取中间一排右侧第2名乘客作为研究对象。根据刘蔚巍[19]的研究，在现有用于人体热舒适评价的平均皮肤温度计算方法中,选取表5中的方法进行计算。当计算出的平均皮肤温度低于32.59 ℃时，乘客为冷不舒适；当平均皮肤温度处于32.59～33.71 ℃之间时，乘客为热舒适；当平均皮肤温度高于33.71 ℃时，为热不舒适。

根据表5中对人体皮肤的分区和各个分区的占比，计算出不同个人通风送风温度下乘客的平均皮肤温度，如表6所示。虽然个人通风基本上不会影响人体下半部分的区域，但是由于基于平均皮肤温度的舒适性分析方法的判断标准是以整个人体各个部分的加权温度为基准的，本文中计算也将大腿和足部区域考虑在内。随着个人通风送风温度从7 ℃上升到14 ℃，目标乘客的平均皮肤温度上升了0.33 ℃。当个人通风送风温度为7 ℃和12 ℃时，目标乘客平均皮肤温度处于32.59～33.71 ℃之间，即为热舒适状态。当个人通风送风温度为14 ℃时，目标乘客平均皮肤温度为33.76 ℃，略微超出舒适范围，但仍然属于可接受的范围内。

表5 平均皮肤温度计算方法Table 5 Calculation method of average skin temperature

表6 个人通风送风温度下乘客平均皮肤温度Table 6 Average skin temperature of passenger at different individual ventilation temperatures

4 结 论

根据数值模拟和试验结果，不同个人通风送风温度对乘客头部区域的温度影响较小，随着个人通风温度从7 ℃上升到14 ℃，乘客头部区域温度变化不超过0.8 ℃。个人通风送风温度对乘客平均皮肤温度影响较小，随着个人通风温度从7 ℃ 上升到14 ℃，目标乘客平均皮肤温度上升0.33 ℃，个人通风送风温度对乘客的热舒适有一定的影响，但是影响较小。

然而根据实际乘坐飞机的体会，在感到空气比较闷热的时候，打开个人通风喷嘴，确实会使人产生凉爽舒适的感觉，考虑可能是由于个人通风气流速度较大，加强了人体头部区域的空气流动，进而使乘客感觉到舒适，个人通风流速对人体舒适性的影响仍有待进一步研究。