大型民机座舱气态污染物分布特性数值模拟研究

张盛 周琼瑶

上海飞机设计研究院

0 引言

飞机座舱存在高人员密度、低新风量、高密闭性的环境特点[1]，污染物的传播可能严重影响乘员及机组人员的健康和舒适性。座舱通风系统对于座舱污染物传播规律、控制座舱污染物浓度具有重要的影响[2-3]。刘静悦[4]采用CFD 技术研究了某型单通道客舱在不同气流组织方案下的空气品质，研究发现天花板送风加个人喷口送风能提供更好的客舱空气品质。李卫娟[5]提出了个性化座椅通风系统，并采用CFD 技术对比分析了传统混合送风方式和个性化座椅送风方式，研究发现个性化座椅送风系统能有效降低客舱内的平均污染物浓度，降低乘客交叉感染的几率。李炳烨[6]在MD-82 飞机实验平台上研究了个性化送风喷口对示踪模拟污染物传播特性的影响，研究发现个性化送风较大的送风速度会剧烈影响座舱内的整体气流，在座舱横向方向上开启的个性化送风口形成“空气幕”从而有效阻碍污染物传播。李弯弯[7]建立了基于波音737的飞机客舱仿真模型，运用CFD 技术分析了送风速度下对客舱空气品质的影响，研究中将气态污染物CO2作为研究对象，研究表明随着送风速度增大，CO2扩散趋势更加明显，同时由于送风气流的稀释作用增强，CO2浓度随送风速度增大而降低。

本文以某型双通道大型客机座舱为研究对象，通过合理化简化模型，建立不同通风系统下的数值模拟模型，对比分析宽体客机座舱不同通风系统方案下气态污染物分布特性，为宽体客机通风系统设计和空气品质改善提供参考。

1 几何模型和网格模型建立

本文研究的飞机座舱为双通道宽体客机，座位分布为3-4-3。本文合理简化了座舱物理模型，保留座舱内部的座椅、乘客、行李架，舱壁通过简化保留了进出风口、灯、窗户。同时，考虑到座舱内部流动的周期性，以及模型的左右对称特征，本文对三排座位的飞机座舱进行建模，且选择右侧对称模型进行研究。座舱的几何模型如图1 所示。

图1 座舱简化模型

针对该飞机座舱设计了四种不同的气流组织，分别为天花板混合通风（Ceiling Supply Mixing Ventilation,CMV）、侧壁混合通风（Sidewall Supply Mixing Ventilation,SMV）、地板置换通风（Under-floor Displacement Ventilation,FDV）、侧壁置换通风（Sidewall Displacement Ventilation,SDV）。具体的送风口、排风口位置及几何尺寸如表1 所示。

表1 气流组织供排气口尺寸

本文选用ICEM 软件进行网格划分，结构网格示意图如图2 所示。为保证数值模拟结果的准确性，对座舱内部流场变化较为剧烈的部分进行加密，如对风口位置、口鼻位置、人体周围等，本文数值模拟的网格数目约为400 万。

图2 网格模型

2 边界条件设置

座舱内主要污染物是人体由于新陈代谢产生的CO2、水汽和其他的气味。人体散发的气味虽然没有毒性但也会造成不适感，而CO2的浓度控制不当就会对人体健康造成威胁，当CO2浓度达到2%时会使得人体呼吸速率加快，当浓度达到5%会使呼吸变得短促，当浓度达到10%将使人窒息[8]。因此，本文选择人体呼吸产生的CO2作为污染源进行研究。

计算设置如下：

1）座舱内的流体设置为不可压缩理想气体。

2）送风口：送风口边界设置为速度入口，送风口的送风速度由送风风量和送风口面积共同决定，送风风量为8 L/(人·s)；送风温度为292.15 K；CO2的摩尔分数设置为0.085%[9]。

3）排风口：排风口边界设置为压力出口。

4）人体口鼻：设置为速度入口，气体流速为0.1 m/s，为主要的CO2污染源，CO2摩尔分数为5%，温度为304.15 K。

5）内部壁面：座舱内部壁面、人体、座椅均设置为无滑移且忽略壁厚的固体壁面（Wall）。各壁面边界的具体设置参数参考文献[10-11]，如表2 所示。

表2 壁面边界的设置参数

6）座舱前后端面：座舱的前后端面设置为周期性边界。

7）座舱的中间面：座舱的中间面设置为对称边界。

3 计算结果与分析

3.1 速度场分析

各混合通风系统下速度场分布如图3 所示。混合通风系统的送风口布置对座舱内的速度分布具有较大的影响：在CMV 系统下，来自于天花板供风口的高速气流在供风口的射流动量驱动下送入座舱，因此过道处的流速较高。在SMV 系统下，来自于行李架侧壁供风口的气流水平向座舱内送风，由于送风角度和壁面的影响，进入座舱内的新鲜空气沿着座舱壁面向天花板顶部运动，因此，座舱内乘客区的风速较低。

图3 混合通风系统下在截面X=1.45 m 上的速度场

各置换通风系统下的速度场如图4 所示。置换通风系统的送风口位置对座舱内的速度分布也具有较大的影响。但是，置换通风系统下，座舱内大部分区域的风速都控制在较低水平（0.35 m/s 以下）。在FDV 系统下，由于地板供风口仍具有较大射流动量，因此过道处的局部风速较高。在SDV 系统下，新鲜空气由地板上方侧壁处的供气口水平送入座舱，因此在送风口附近有明显的“高速”区，并且从右至左速度呈现出递减趋势。

图4 置换通风系统下在截面X=1.45 m 上的速度场

3.2 污染物浓度场分析

3.2.1 混合通风系统的污染物分布特性

图5 表示各混合通风系统下Z=1.1 m 的CO2浓度场，图中显示的是CO2的质量分数。民用飞机座舱内CO2的限定值为5000ppm[12]，即飞机座舱内CO2质量分数不超过0.0075。对比分析各混合通风系统发现，座舱内的CO2质量分数均低于0.0075，但是送风口的位置对座舱内CO2的排除和分布具有较大影响。在CMV 系统中，由于新鲜空气直接输送过道附近，因此过道和3 号乘客周围的CO2浓度较低，而4、5 号乘客呼吸区附近的CO2浓度比较高。在SMV 系统中，由于新鲜空气沿着座舱壁经天花板输送至1 号乘客周围，因此1 号乘客呼吸区的CO2浓度最低，而3、4 号乘客呼吸区附近的CO2浓度比较高。

图5 混合通风系统下Z=1.1 m 的污染物浓度场

3.2.2 置换通风系统的污染物分布特性

图6 表示各置换通风系统下Z=1.1 m 的CO2浓度场，图中显示的是CO2的质量分数。由图发现，置换通风系统下的CO2浓度明显低于混合通风系统下的CO2浓度，且座舱内的CO2质量分数均低于0.003。同时，每一位乘客口鼻附近的CO2浓度都较低。因此，置换通风系统能为座舱提供更优的空气品质。

图6 置换通风系统下Z=1.1 m 的污染物浓度场

3.2.3 座舱内各水平面上污染物浓度特征

为了进一步定量分析飞机座舱内各水平面内的污染物浓度分布状况，对垂直方向上CO2浓度分布的特性进行分析讨论，结果如图7 所示。由图7 可见，在所有的垂直高度内，置换通风系统下的污染物浓度均明显低于混合通风系统，并且FDV 系统在任意高度上的平均CO2浓度最低。

图7 各通风系统垂直方向上的平均CO2 摩尔分数

4 总结

本文通过对某型双通道宽体飞机座舱内的气流组织进行了数值模拟研究，分析了混合通风系统和置换通风系统下座舱内的CO2污染物浓度场的分布特性。研究结果表明：

1）混合通风系统通过新鲜空气的“稀释”作用，尽量降低呼吸区附近的污染物，因此在流动停滞区域易造成污染物的堆积，不同的送风口布置位置污染物堆积区域也有所区别，对于CMV 系统，容易在远离过道的区域易造成污染物堆积，对于SMV 系统，过道附近乘客呼吸区的污染物浓度较高。

2）混合通风系统和置换通风系统下座舱内的CO2浓度满足CCAR25 部条款要求，但是送风口的位置对座舱内CO2的排除和分布具有较大影响，总体而言，置换通风系统下座舱内的污染物浓度更低，空气品质更好，其中当送风口设置于过道时即FDV 系统下的空气品质最佳。

本文以人体呼吸产生的CO2为污染源，对比分析了不同送风系统对座舱空气品质的影响，仅CO2浓度分布这一项指标而言，将送风口设置于地板即采用下送上回的送风方式最优。通风系统的优化设计还应综合考虑吹风感、热舒适性等多项指标。本文的研究方法和研究结果能为后续大型客机座舱通风系统的设计优化、及空气质量提升研究提供一定的理论基础和方法支持。