飞机客舱空调系统过滤效果评估仿真研究

2023-07-01黄语瑄袁旭峰王立纲

西安航空学院学报 2023年3期

闫锋,黄语瑄,袁旭峰,王立纲

(中国民用航空飞行学院航空工程学院,四川广汉 618307)

0 引言

客机飞行过程中,座舱内的空气质量对乘客及机组成员的生命健康具有重要影响。在民航客机飞行过程中,客舱向乘客提供的空气由飞机发动机的压气机引入客舱,空气在进入客舱前飞机的环境控制系统会调节空气压力和温度,并通过高效空气过滤器(High Efficiency Particulate Air Filter,HEPA)进行过滤。新冠疫情传播通常与呼吸道有关,传播途径有呼吸道飞沫传播、接触传播和扩散的气溶胶传播。当前用于民用航空飞机空调系统的过滤器基本上依靠进口,供应商主要是三家均在美国的公司,分别是唐纳森(Donaldson)、普雷特(Pratt)和颇尔(Pall)。以上三家公司研制过滤器起步早,掌握技术较为先进,发展迅速,研制出的产品使用效果好,其对过滤器研制技术保密,国内空气过滤器研发相对落后。面向国家制造业的重大需求和人民群众的生命健康,为早日实现自主研发过滤器,尝试研究新型材料开发与制备、高效空气过滤器的制作工艺和过滤提高效果具有重大意义。

本文选取计算流体动力学(CFD)的方法,以ANSYS Fluent仿真软件,对民航客机再循环系统中的高效微粒空气过滤器进行流场仿真分析,探究流场中速度、压力、湍流强度和粒子浓度规律,输出粒子轨迹图,分析物理量散点图,使过滤器内部流场可视化,从而达到提高过滤效果、优化系统功能的目的。

1 HEPA介绍

1.1 飞机再循环系统

在国外相关研究中,Dechow等人测量了飞机座舱内颗粒物和挥发性有机污染物(Volatile Organic Contaminant,VOC)参数,对座舱空气质量进行了研究,但未涉及流场特性[1]。Hocking研究得出民航飞机上使用的过滤器对0.3 μm粒子过滤效率能达到99.97%[2]。Pui等人[3]研究得出在座舱内使用回风过滤器后可使舱内颗粒物浓度显著降低,证明过滤器过滤污染物具有良好特性。Zhao等人[4]结合实验和模拟计算两种方式,分别选用六氟化硫(SF6)气体模拟气态污染物,选取0.7 μm粒径的气溶胶颗粒模拟固态污染物,分析了它们在座舱内的浓度变化和影响。在国内相关研究中,尹维友[5]建立了一种能够检测机舱过滤器过滤效率的实验系统。曹祎等人[6]以某民用飞机为研究对象,提出了一种飞机座舱颗粒物浓度评估方法。李政[7]研究得出有效控制飞机座舱颗粒物污染,对改善座舱空气质量、防止舱内传染病传播有重要意义。

飞机空调再循环系统示意图如图1所示。飞机空调再循环系统可以提供通风,具有减小发动机引气、循环使用部分空气的作用。高效空气过滤器安装在空调再循环系统中,将座舱中空气经过消毒过滤、杀菌处理,混合洁净空气后,再重新供入到座舱中。座舱空调系统供气总量中,再循环通风量约占50%[8]。再循环系统流程图如图2所示。

图1 再循环系统示意图

图2 再循环系统流程图

1.2 HEPA过滤机制

高效空气过滤器图如图3所示。国际航空运输协会发布的资料显示,高效空气过滤器在0.3 μm邻苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate,DOP)的HEPA过滤效率为99.97%,将有效降低座舱再循环空气中的生物气溶胶和其他可吸入颗粒物[9]。大多数空气过滤器由纤维介质(即玻璃纤维)制成,空气过滤器对不同粒径尺寸污染物颗粒的过滤机制有扩散、拦截和惯性碰撞。

图3 高效空气过滤器图

2 HEPA理论方程与计算模型

2.1 HEPA理论方程

本文研究高效空气过滤器内部流场问题,涉及不可压缩的粘性流体的控制微分方程,满足流体力学有关质量和动量守恒[10]。

质量守恒方程:

dρ/dt+(d/dxi)·(ρui)=sm

(1)

式中:ρ为流体的密度,单位kg·m-3;t为时间,单位s;sm为源项;xi为i方向上流体经过的距离;ui为i方向上的流体表面流速。

动量守恒方程:

d/[dt·(pui)]+(d/dxi)·(puiuj)=-dp/dxi+dτij/dxj+pgi+Fi

(2)

式中:p为微分状态下流体表面的总静压,单位Pa;τij为应力张量;gi为i方向上的重力体积力之和,单位N;Fi为i方向上的外部体积力(如离散相互作用产生的升力),单位N。

能量守恒方程:

对于简单均质多孔介质,能量简化公式如下:

(3)

式中:div为对应变量的散度;grad为对应变量的梯度;T为流体表面的温度 ;cp为比热容,单位J·(kg·℃)-1;u为流速,单位m·s-1;k为流体的传热系数;ST为源项。

2.2 网格划分

根据手册示意简图、实物图外形特征,建立高效空气过滤器简化几何模型如图4所示。简化模型为一端开口,另一端封闭的多孔网状空心圆筒。三维模型有限元计算的网格类型采取结构化网格类型,高效过滤器网格图如图5所示,网格总数为11 928格。

图4 高效空气过滤器简化几何模型

图5 高效过滤器网格图

3 模型仿真分析

3.1 HEPA装置整体分析

研究对象选取0.3 μm密度为986 kg·m-3的邻苯二甲酸二辛酯气溶胶,以2 m·s-1的流速进入过滤器管道后,流经玻璃纤维管壁进行过滤。

有限元计算边界条件设置速度入口为2 m·s-1,出口设成一个大气压的压力出口。求解器设置为基于压力求解,速度为绝对速度,选择稳态计算。物理模型选择黏性k-ω模型中的剪切应力传输模型,滤芯材料为玻璃纤维,需过滤的污染物颗粒设为邻苯二甲酸二辛酯粒子。在迭代求解上,压力和速度关联算法中的SIMPLE算法使用二阶迎风格式定常状态,其余设置则选择默认值,考虑收敛情况,选择时间步长为100 s。获得进出口离散相浓度云图如图6所示,进出口湍流动能矢量图如图7所示,截面的速度分布云图如图8所示,截面的湍流强度分布云图如图9所示。通过截面的速度分布云图与截面的湍流强度分布云图可得,过滤器入口处中心速度和中心压力数值大,且均向远离圆形截面圆心方向呈减小的趋势,后呈现数值不变的趋势。由离散相浓度云图可知,入口处污染物扩散方式是由中心向周围扩散,经滤网后浓度降低。由湍流动能矢量图可知,湍流强度并不是从入口处就达到峰值,而是在距离入口处大约0.15 m处出现湍流动能最大值。大部分污染物进入高效过滤器后,沿管道轴线直线运动到接近末端位置,再运动到过滤网上,其余少部分污染物在进入后,便向过滤网处运动,或沿管道轴线直线运动一段距离后,向滤网处运动。污染物浓度经过过滤作用,不断降低。

图6 进出口离散相浓度云图

图7 进出口湍流动能矢量图

图8 截面的速度分布云图

图9 截面的湍流强度分布云图

3.2 粒子运动特性分析

Fluent中的Plots(绘图)工具生成X/Y坐标轴散点图,可以清晰直观地看到各物理量随轴线位置变化的具体数值、变化过程和趋势。截面粒子沿X轴静压曲线如图10所示,可以看出静压不随轴向位置变化。截面粒子沿X轴速度曲线如图11所示,可知速度随着轴向位置坐标增大而降低,表明固体污染物颗粒在过滤器内部作用下速度不断降低。截面粒子沿X轴湍流强度曲线如图12所示,截面粒子沿X轴湍流动能曲线如图13所示。可知距离入口处大约0.15 m处出现湍流强度和湍流动能的最大值。