基于ADPI及空气龄的飞机客舱热环境数值研究

2022-04-18马垠飞李德兴

计算机仿真 2022年3期

马垠飞，李德兴

(中国民航大学基础实验中心，天津 300300)

1 引言

夏季民航客机在机场停靠时，为保持飞机客舱内的舒适需要对飞机客舱制冷。国家民航局正推广使用桥载空调代替机载空调对飞机客舱送风。机载空调消耗航空燃油，桥载空调是悬挂于机场廊桥底部的空调，消耗工业用电，因此使用桥载空调后就无需开启飞机发动机，既节省航空燃油也减少污染物的排放和噪声污染[1]。由于没有估计客舱所需的空调制冷量，目前机场的桥载空调对客舱是恒速送风，造成一定程度的能源浪费。由于飞机客舱是一个相对密闭的小空间，并且客舱内的温度受太阳辐射的影响较大，太阳辐射越强，客舱内温度越高。因此对于不同的太阳辐射，为使客舱内有较好的热环境所需的空调送风量是不同的，因此从节能的角度研究不同太阳辐射下所需的空调送风量有重要的意义。

目前国内外关于飞机客舱内热舒适性已有很多研究，具体包括个性通风下飞机客舱内的热舒适性[2-4]，不同送风形式对飞机客舱环境的影响[5-7]，以及不同季节飞机客舱内的舒适性[8]等等。但以桥载空调最优控制为背景，同时考虑一天中太阳辐射变化对飞机客舱内温度影响的研究较少。本文通过CFD技术模拟并构建了夏季一天中不同太阳辐射条件下，桥载空调送风速度、客舱内热舒适性、客舱空气龄三者的函数的关系。通过对该函数的求解，得到不同太阳辐射下桥载空调最优的送风速度，为桥载空调的节能控制提供依据。

2 数值模型

2.1 飞机客舱模型

建立了A320飞机头等客舱三排座满员的模型，如图1所示。进风口1为人体头部上方进风口，进风口2为客舱顶层侧壁进风口。外客舱模型尺寸为2.4m×3.6m×2.90m(长×宽×高)，内客舱模型尺寸为2.4m×3.95m×2.21m(长×宽×高)。

图1 A320飞机头等舱模型

A320飞机头等舱模型采用四面体网格划分法，算法采用协调分片算法，单元尺寸设置为16mm，以便对客舱进行区域划分。通过SIMPLE算法求解压力和动量方程，压力采用 Standard 离散格式。当能量的残差低于 1×10-6，其它变量的残差低于1×10-3并且监测点的参数变化稳定时，认为所计算的流场已经达到稳定收敛。

2.2 流体动力学控制方程

飞机停靠在机场时，桥载空调为飞机客舱进行送风，将飞机客舱内的空气等效于不可压粘性流体。客舱内的空气流动遵循以下控制方程[9]：

连续方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

组分方程

(4)

式中Ui为xi方向的速度(m/s)，xi代表三个垂直坐标轴的坐标，其中i=1，2，3；Uj为xj方向的速度(m/s)；ρ为空气密度(kg/m3)；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为空气比定压热容[J/(kg·K)]；C为组分浓度(kg/kg)；σc为传质Schmidt数；SC为组分浓度源(kg/s)。

对于飞机客舱内的湍流流动，本文采用RNGk-ε湍流模型，RNGk-ε控制方程如下[7]

(5)

3 边界条件的设置

为分析夏季不同太阳辐射与飞机客舱内温度分布的关系，分别选取6月15日8时、12时、18时进行数值模拟，太阳辐射强度分别为：766.730 W/m2，883.21W/m2，534.648 W/m2。地点选择为天津机场，飞机的方位为机头朝南。

表1 飞机材料参数

对于夏热冬冷的地区来说，夏季桥载空调对A320飞机送风温度为273.15～277.15K[10]。因此在数值模拟中飞机客舱内两种进风送风温度均设置为277.15K，湍流强度取5%。

飞机客舱材料参数[11-13]见表1。各个壁面的热边界条件分别为：飞机蒙皮、客舱玻璃为外部辐射热传导，内客舱壁为对流热传导，人体为固定温度。

4 仿真结果与分析

4.1 温度场的仿真

为分析桥载空调不同的送风速度在夏季不同太阳辐射下与客舱内温度分布的关系，分别对送风速度为0.15m/s，0.3m/s，…，1.2m/s进行仿真。ASHRAE标准中规定，乘客头部到脚部的垂直温差不能超过2.8K，且夏季座舱温度范围在 291.45 K～297.05K之间[14]。

如图2为送风速度为0.75m/s时，6月15日8时、12时、18时客舱内第一排乘客头部前5厘米处的垂直截面上的温度分布图，图中右侧为东，左侧为西。

图2 送风速度为0.75m/s时不同时刻的温度场

由图2可以看出，在6月15日相同的送风速度下，12时飞机客舱内温度比8时和18时的高，18时客舱内温度最低，这是由于12时太阳直射飞机顶部，产生的太阳辐射强，而18时太阳辐射最小，因此造成不同太阳辐射下客舱内温度的不同。由于太阳东升西落，因此早晚飞机客舱两侧接收到的太阳辐射不同，尤其玻璃温度差异较大，8时右侧玻璃的温度比左侧的高，18时则相反。

本文采用ADPI指标来研究飞机客舱内的热舒适性。ADPI定义为满足规定风速和温度要求的测点数和总测点数之比[9]，即

(6)

ΔET表示有效温度差与室内风速之间的关，即

ΔET=(ti-t)-7.66(vi-0.15)

(7)

其中t为给定的空间设计温度，ti为采样点的温度，vi为采样点的风速。当ΔET在-1.7～+1.1范围内，适宜人生活，且在一般情况下，应使ADPI≥80%。并且ADPI的值越大，空间内热舒适性越好[9]。

在每排乘客前5厘米设置了采样截面，采集了三个采样截面上共13500个采样点的温度值和风速值。根据式(6)、(7)计算出不同太阳辐射、不同送风速度下的ADPI，如图3所示。

图3 不同送风速度下的ADPI值

如图3可以看出，不同太阳辐射时，不同送风速度下的ADPI值有较大的差异，但变化趋势均为先增大后减小。由图可以得到8时、12时、18时ADPI值最大时对应的送风速度分别为0.75m/s、0.9m/s、0.75m/s。因此在单独考虑热舒适性的情况下，分别选择这三个送风速度可以使8时、12时、18时飞机客舱内热舒适性最佳。

4.2 空气龄的仿真

空气龄为空气进入空间的时间，是评价空气新鲜度和空气去污能力的重要指标。某点的空气龄越小，说明该点的空气越新鲜，空气品质就越好。从统计学的角度来分析，室内某一点的空气是由大量不同的空气微团所组成，某一点的空气龄τρ为该点所有空气微团的空气龄的平均值[9]

(8)

其中f(τ)和F(τ)分别为所有微团的空气年龄的频率分布函数和累计分布函数。由于空气龄的物理意义明显，因此作为衡量通风空调房间空气新鲜程度与换气能力的重要指标得到广泛的应用[15-16]。

分别对不同太阳辐射下送风速度为0.15m/s，0.3m/s，…，1.2m/s时飞机客舱内的空气龄进行了模拟。图4为送风速度分别为0.45m/s、0.9m/s时飞机客舱内第一排乘客头部前5厘米处的垂直截面上的空气龄分布。

图4 不同送风速度下的空气龄

如图4可以看出，由于顶层侧壁的进风口进风量较大，从进风口进入的新风随着气流向下流动，因此顶层侧壁的进风口附近的空气龄最小，两排座椅之间的过道的空气龄也较小。相反的，人体腰部位置的空气龄最大。同时根据图4中不同送风速度下飞机客舱内的空气龄分布的对比可知，较大的送风速度会使飞机客舱内空气龄的值较小。

为具体分析送风速度对飞机客舱内空气龄的影响，根据人体头部、脚部的各个采样点处空气龄的值求出不同送风速度下空气龄的平均值。图5为送风速度与空气龄平均值的关系图。

如图5 可以看出，空气龄与送风速度二者关系，送风速度与空气龄成近似反比关系。因为减小空气龄可以提高空气质量，所以若单独考虑空气品质时可以选择较大的送风速度。

图5 不同送风速度下的空气龄

但由图5也可以看出，不同太阳辐射下空气龄的值相差不大，但12时的空气龄较8时、18时偏小，这是由于较高的温度会使气流的流速加快。不同太阳辐射下，送风速度在0.15m/s～0.75m/s时，空气龄减小的很快，但在0.75m/s～1.2m/s时，空气龄减小的比较缓慢，因此送风速度大于0.75m/s时，增大送风速度对空气龄的影响较小。由于送风速度越大，桥载空调的耗能就越多，因此不能一味的增大送风速度，需要根据实际情况选择合理的送风速度使飞机客舱内空气龄较小的同时桥载空调的能耗也较小。