基于SET 指标与区域划分的地面空调送风优化

2020-03-04林家泉孙凤山李亚冲

流体机械 2020年1期

林家泉，孙凤山，李亚冲

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

0 引言

随着民航事业的高速发展，乘坐飞机出行的人数逐渐增多，客舱的热舒适性备受关注，并成为了各大航空公司竞争市场的重要因素。影响客舱热舒适性的因素有温度，湿度，空调系统的送风速度等［1］。夏季飞机停靠在机场时，航空公司采用飞机地面空调为客舱制冷［2］。地面空调相比于机载空调有两个很明显的优势：节约燃油成本和减少环境污染［3］，基于这两个优势，使得地面空调的发展成为必然。同时，在地面空调为飞机客舱制冷的过程中也存在着不足，由于受不同的送风速度和太阳辐射传热的影响，会导致客舱热环境的不稳定，无法为乘客提供舒适的乘机环境。因此，探究出地面空调最优送风区间是保证客舱热舒适性的关键。

有关地面空调的送风速度以及客舱热舒适性已经有大量的研究成果，文献［4］基于PMV-PPD作为客舱热舒适性的评价指标，通过改变地面空调的送风速度，得出送风速度与PPD 平均值之间的关系，求出满足客舱热舒适性的条件下的地面空调送风速度。文献［5］基于空气分布特性指标ADPI 与排污效率指标所构建出的地面空调送风速度评价函数，计算出不同风速下评价函数的值，得出地面空调的送风区间。文献［6］对比客舱中混合送风模式与置换送风模式，通过3 组试验送风试验，得出置换送风模式能够满足乘客热舒适性要求。这些文献使用热舒适性指标与通风模式用于评价飞机客舱整体的热舒适性，但由于未考虑太阳辐射传热所导致客舱内各区域干球温度不均的情况，仅依据整个客舱的干球温度，得出的地面空调的送风区间无法满足客舱内局部区域热舒适性的要求。因此，本文根据客舱内各区域干球温度的差异，对客舱进行区域划分，以SET 作为客舱热舒适性的评价指标，通过改变空调送风速度，研究不同区域的热舒适性，得出优化后满足客舱热舒适性要求的地面空调送风区间，所得结果有效地解决了地面空调恒速送风时，所造成客舱热舒适性不佳的问题。该研究结果可为客舱热舒适性的提高和地面空调送风控制提供理论依据。

1 理论分析

夏季飞机停靠机场地面，由地面空调为飞机客舱制冷。关闭机载空调，以节省飞机燃油，地面空调使用电能，经济且无燃油污染。同时，由于客舱内的空气流动基本为低速流动，可将客舱内的空气当作不可压缩流体看待［7］。

1.1 控制微分方程

客舱内空气流动遵循不可压缩黏性流体的控制方程［8］。

连续方程：

式中 ρ ——空气密度，kg/m3；

Ui——xi方向的平均速度，m/s；

xi——3 个垂直坐标轴的坐标，i=1，2，3。

动量方程：

式中 t ——时间，s；

Uj—— xj方向的平均速度，m/s；

xj——3 个垂直坐标轴的坐标，j=1，2，3；

p ——空气压力，Pa；

μ ——空气层流动力黏度，kg/（m·s）；

β ——空气热膨胀系数，1/K；

gi——xi方向的重力加速度；

Tref——参考温度，K；

T ——空气温度，K。

能量方程：

式中 h ——空气定压比焓，J/kg；

λ——空气热导率，W/（m·K）；

cp——空气比定压热容，J/（kg·K）；

SH——热源，W。

1.2 湍流模型

对客舱内空气湍流流动进行模拟，选取RNG k-ε模型［9］。

RNG 模型控制方程如下：

v ——分子黏性系数，m2/s；

vT——涡黏性系数，m2/s。

涡黏性系数表达式如下：

式中 cμ——常数；

k ——湍动能，m2/s2；

ε ——耗散率，J/（kg·s）。

1.3 飞机客舱模型

根据Boeing737 试验模拟舱的尺寸建立了飞机客舱仿真模型如图1 所示，该模型包括5 排6列座位、单过道、观察窗、条缝进风口（其中包括顶层进风口、侧壁进风口）、个性送风口、回风口。

图1 Boeing 737 仿真模型

1.4 CFD 验证

为了得到精确的仿真结果，对所建立的飞机客舱仿真模型进行验证。

利用Boeing737 试验舱进行试验。试验中设定送风量为1 200 m3/h，送风温度为295.15 K。仿真设定与试验设定一致。测量位置A1～A6 如图2 所示。图3 示出温度测量装置，表1 中的试验数据是由图3 中的温度传感器测得，选取HIOKI LR8510 温度单元进行多点温度测量，LR8410-30进行数据采集，其显示精度为0.01 ℃。在图中的垂直杆上均匀放置了5个温度传感器，分别测量A1～A6 位置上，不同高度处的温度值（T1～T5），并将试验测量数据与CFD 的仿真数据进行比较，比较结果见表1。

图2 测量位置

图3 试验舱温度测量装置

表1 试验测量数据与CFD 的仿真数据的比较

由表1 对比得出，A1，A2 位置的试验数据与仿真数据的误差较大，是由于试验舱的入口是玻璃材质，易受外界环境影响，因而产生较大误差。其余4 个位置上，误差均属于合理范围区间［10］。

1.5 边界条件的设定［11-13］

（1）进风口、出风口的边界条件设定：送风温度为297 K，湍流强度取5%。

（2）人体边界条件：人体热边界条件为固定热流量，发热量为80 W/m2，服装热阻为0.077 5 m2·K/W，服装表面积系数1.15。

（3）客舱的热边界条件：客舱相对湿度为40%，客舱蒙皮、玻璃受到太阳辐射作用，选用外部辐射作为热边界条件，客舱内部选择对流热交换作为热边界条件。

（4）太阳辐射：选取2018 年6 月15 日12 时天津机场环境进行数值模拟，太阳辐射强度为873.711 W/m2，飞机的方位为机头朝南。

2 仿真结果处理与讨论

2.1 客舱的区域划分

空调送风速度为1.5 m/s 的情况下，模拟出客舱内的温度场如图4 所示，风速场如图5 所示（其中所取的风速场截面位于客舱第3 排）。由于客舱的蒙皮、玻璃窗易受太阳辐射传热影响，导致客舱内靠近玻璃窗一侧的空间温度较高。若基于客舱整体的温度情况下，对客舱进行热舒适性分析［3-5］，会引起局部区域的热舒适性不佳的问题。因此，依据客舱内各个区域温度的不同，对客舱进行区域划分。客舱区域划分结果如图4 所示。

图4 送风速度为1.5 m/s 客舱温度场

图5 送风速度为1.5 m/s 时的风速场

根据仿真结果得出整体客舱干球温度为298.9 K。由图4 可知，客舱各区域干球温度存在差异，根据差异将客舱分为6 个区域，各区域的干球温度如下：区域1，2 为靠近客舱玻璃窗户两侧的区域，因受太阳辐射传热影响，区域1 干球温度为300.2 K，区域2 干球温度为300.4 K，区域3干球温度为298.2 K，区域4 干球温度为298.3 K，区域5 干球温度为299.0 K，区域6 的干球温度为299.1 K。由此得出由于受太阳辐射传热的影响，区域1，2 的干球温度高于其他4 个区域。

2.2 SET 指标

由于SET 指标不同于其他由经验推导得到的热舒性指标［14］，它是以生理反应模型为基础，由人体传热的物理过程分析得出，并能够确定某个人的热状态。因此，该指标被称为是合理的导出指标。故选取标准有效温度（SET）指标作为客舱热舒适性的评判指标，不同SET 下对应的热感觉见表2，SET 计算表达式如下：

式中 Qsk——皮肤总散热量，W/m2；

hcSET'—— 标准环境中考虑了服装热阻的综合对流换热系数，W/（m2·℃）；

tsk——皮肤温度，℃；

w ——皮肤湿润度；

heSET'—— 标准环境中考虑了服装热阻的综合对流质交换系数，W/（m2·kPa）；

Psk——皮肤表面压力，kPa；

PSET—— 标准有效温度SET 下的饱和水蒸气分压力，kPa。

客舱内各区域温度的不同，会导致各区域乘客皮肤温度的不同，皮肤温度计算式如下：

式中 C ——人体外表面向空气的对流散热，W/m2；

fcl——服装表面积系数；

he——对流换热系数；

Icl——服装热阻，m2·K/W；

R —— 人体外表面向环境的辐射散热量，W/m2；

ta——干球温度，℃。

人体外表面向空气的对流散热表达式如下：

式中 tcl——衣服外衣表面的温度，℃。

人体外表面向环境的辐射散热量表达式如下：

式中 tr——平均辐射温度，℃。

皮肤湿润度的计算表达式为：

式中 M —— 人体能量代谢率，决定于人体的活动量大小，W/m2；

W ——人体所做的机械功，W；

Pa—— 人体皮肤的潜热散热量与环境空气的水蒸气分压力，kPa。

表2 不同SET 下对应的热感觉

2.3 客舱区域划分的必要性

为计算出SET，评价客舱的热舒适性，分析最优送风区间。对客舱进行送风，送风速度为0.5，1.0，1.5，…，3.0 m/s。以送风速度1.5 m/s 为例，所得到的客舱温度场如图6 所示。

图6 基于整个客舱干球温度计算出的乘客SET

由于各区域的温度不同，导致各个乘客的皮肤温度不同，服装热阻为0.077 5 m2·K/W，服装表面系数为1.15，仿真所得出的衣服外衣表面的温度tcl和平均辐射温度tr，利用式（8）～（10）计算得出每个乘客的皮肤表面温度，由于乘客在客舱内处于静止状态机械做功为0 W，其人体代谢率为58.2 W/m2［14］，可利用式（11）计算出皮肤湿润度，并利用式（7）得出SET 指标，且当SET 处于［20，30］℃时，乘客的热感觉处于舒适状态，而当SET 处于［30，35］℃时，乘客的热感觉为不舒适。基于整个客舱的干球温度计算出的乘客SET如图6 所示。基于各客舱各区域的干球温度所计算出乘客的SET 如图7 所示。当送风速度达到 1.5 m/s 时，由图6 能够得出，基于整个客舱的干球温度计算出的乘客SET，反映出了客舱内所有乘客均处于热舒适状态。由图7 可知，基于各个区域的干球温度计算出得乘客SET 反映出，在区域1，2 中有8 名乘客的热感觉为不舒适。虽然图6 反映出客舱内所有乘客均处于热舒适状态，但是基于整个客舱的干球温度忽略了太阳辐射传热对区域1，2 干球温度的影响，使得计算得出的SET 存在偏差。因此，为解决客舱局部区域热舒适性不佳的问题，对客舱不同干球温度的区域进行划分是必要的。

图7 基于客舱各区域的干球温度所计算出乘客的SET

2.4 地面空调送风优化

为了解决飞机地面空调恒速送风和客舱受太阳辐射传热影响的情况下，所造成客舱热舒适性不佳的问题。将客舱内30 名乘客进行编号，如图8（a）所示，将客舱划分为6 个区域，基于各区域的干球温度，得出不同风速下乘客的SET，如图8（b）所示，其中x 轴为风速，y 轴为乘客的编号，z轴为SET 值。乘客在不同风速下，处于热舒适状态的人数分布情况，如图8（c）所示，其中，x 轴为风速，y 轴为处于热舒适状态的人数。

图8 基于各区域干球温度评判客舱热舒适性

由图8 可知，当地面空调的送风速度处于［0.5，1.5］m/s 时，仍有乘客的热感觉为不舒适状态，无法满足客舱热舒性的要求。当送风速度增加到［2.0，3.0］m/s 时，客舱内所有乘客热感觉为舒适状态，即满足了客舱热舒性的要求，且当空调送风速度超过3 m/s 时，不符合ANSI/ASHRAE 标准161-2007［4］，故得出优化后满足客舱乘客热舒适性要求的地面空调送风区间为［2.0，3.0］m/s。