清除飞机客舱引气污染物的空调三角波送风方法

2023-10-28王云龙林家泉

液压与气动 2023年10期

王云龙, 林家泉

(中国民航大学电子信息与自动化学院, 天津 300300)

引言

近年来,我国民航业发展迅速,但是相应的,民航排放物对大气的污染问题也不容忽视[1]。民航客机发动机在运行时会释放CO,SO2,NOX、颗粒物等大气污染物[2-4]。这些污染物会在飞机的起飞着陆阶段(Landing-Takeoff Cycle,LTO),通过飞机的引气系统被吸入到客舱内,对客舱环境造成一定程度的污染。一项关于乘客对飞机客舱环境的满意度问卷调查结果表明,接近四分之一的乘客认为飞机客舱空气品质差,难以接受[5]。因此,既能够快速排出污染物,改善客舱空气品质,又能满足乘客对热舒适性的要求,就显得十分重要。

使用高效空气过滤器(High Efficiency Particulate Air Filter,HEPA)是清除飞机客舱空气污染物效果最理想的方法之一,飞机通常将50%新风和50%回风混合后再重新送入客舱中,HEPA主要净化舱内回风空气中粒径在0.3 μm以上的颗粒污染物,而对粒径不在此范围内的空气污染物的过滤效果并不理想[6]。为了改善客舱环境,研究者们在改进通风设计方面做出了巨大努力,开发了沿着过道的地板下气流分配系统、乘客前面座椅靠背的个性化通风系统,以及座位扶手和前排座位下部的个性化通风系统,这些新型的个性化通风系统可以有效地改善客舱环境,然而,个性化系统非常复杂,改装成本过高,并且有太多的供应管道,这可能使得客舱发生危险进行疏散时产生安全问题[7]。综上所述,研究合理的客舱气流组织提高空气品质是比较容易实现且更为经济的方法。

目前,有关飞机客舱内气流特征和污染物传播规律已经有了大量研究[8-10]。杨建忠等[11]研究了不同送风方式对飞机客舱内污染物传播产生的影响,送风方式不同,污染物的传播过程也不相同,舱内气流组织不断变化,以变形运动为主导的气流会阻碍污染物的传播,而以旋转运动为主导的气流会使污染物产生聚集。MESENHOLLER E等[12]对非稳态送风进行总结,得出不同的非稳态通风策略对改变气流结构有积极影响,能够产生更强的混合效应,从而防止形成稳定的大涡流,造成污染物的堆积。李波等[13]使用正弦信号向飞机客舱内送风,发现正弦送风可以降低客舱内空气龄。THYSEN J H等[14]研究了单通道飞机客舱模型的分段等温时间内周期混合通风,将乘客呼出的空气作为污染物,发现周期性送风气流促进了新鲜气流有效地输送到乘客呼吸区,使得乘客呼吸区污染物浓度大幅降低,并增加了从机舱中排出的污染物。增加客舱新风量,使新鲜空气和舱内污染物充分混合后再排出到舱外也能提高舱内空气质量,李斐[15]发现在非稳态工况下,将送风量变大可以降低区域内污染物浓度,说明增大通风量对于改善客舱内的空气质量效果是明显的,但是增加新风也意味着更多的能源消耗。

本研究采用连续的三角波信号送风,在同等送风量的情况下,以NO2作为污染物示踪气体,比较了相同时间内恒值送风和三角波送风对NO2的清除效果,并考虑了乘客的热舒适性,用由吹风感引起的乘客不满意率DR作为舒适度评价指标,得出最佳的送风方式。

1 研究方法

1.1 客舱CFD模型

本研究采用CFD方法来模拟计算客舱内的空气环境,建立Boeing 737飞机客舱模型如图1所示,其中包含2条贯穿舱顶的天花板送风口,10个平均分布在客舱左右两侧行李架处的侧壁送风口,以及舱底的10个排风口,沿中间过道两侧有5排6列共30个座位。共有3种送风方式,分别为天花板送风、侧壁送风和混合送风。天花板送风时仅打开天花板送风口,侧壁送风时仅打开侧壁送风口,混合送风时2种送风口都打开。

图1 Boeing 737客舱模型Fig.1 Boeing 737 cabin model

用四面体网格对客舱模型进行划分,DUAN R等[16]发现合理的网格疏密分布可以保证不破坏网格质量的同时减少网格数量,从而减少计算时间,因此在靠近送风口和排风口等流场相对复杂的区域进行了网格精密化处理,而远离这些区域的网格进行加大,总体网格数量约为558万。

1.2 数值模型

RNGk-ɛ湍流模型被广泛应用在飞机客舱的气流模拟中,并且能够得到比较准确的结果[17],其控制方程为:

(1)

式中,ρ—— 密度

φ—— 变量

t—— 时间

Γφ,eff—— 有效扩散系数

Sφ—— 源项

计算时采用SIMPLE算法耦合压力和速度,压力离散采用PRESTO!算法,梯度采用Green-Gauss Cell Based格式,其他参数均采用二阶迎风格式,当所有的残差项达到10-6时认为计算收敛。

1.3 客舱CFD模型验证

使用粒子图像测速(PIV)技术来测得实验舱的风速场,将PIV实验所测得实际结果与客舱CFD模型所得到的仿真结果进行对比来验证模型的准确性。实验舱如图2所示。

图2 实验舱Fig.2 Experimental cabin

示踪粒子为平均粒径约为1.5 μm的颗粒,通过烟雾发生器产生并从侧壁送风口和天花板送风口送入实验舱内。采样区域选在客舱第2排与第3排之间,使用CCD相机采集该区域的流场信息,为方便采样,将所需测量的截面划分为4个区域,单次测量的区域面积为900 mm×600 mm,然后将所得到的4个区域流场进行拼接,并将其与CFD仿真得到的流场图进行对比,对比结果如图3所示,由图可知仿真模拟结果和PIV实验结果气流运动趋势基本一致,可以认为该模型是可靠的。

图3 仿真结果和PIV实验Fig.3 Simulation results and PIV experiment

1.4 仿真边界条件设定

根据文献[18-22],边界条件设定如下:

(1) 入口类型选为velocity-inlet,出口类型选为outflow;

(2) 送风温度为296 K;

(3) 人体设置为第二类边界条件,座椅、地面、窗户类型设置为wall。

仿真过程中选取NO2作为污染物,先向客舱内部通入40 s空气与NO2的混合气体,其中NO2的质量分数为5×10-7,40 s后通入不含NO2的新风,以10 s为一个送风周期,通入160 s新风。客舱分别处于恒值信号送风和三角波信号送风时通入的空气总量保持一致,各工况下的送风速度如表1所示。

表1 送风速度Tab.1 Air supply speed

以天花板送风方式为例,2种送风信号下客舱出风口送风速度如图4所示。

图4 天花板送风方式下2种信号送风速度Fig.4 Two signal air supply speeds under ceiling air supply mode

2 客舱仿真结果分析

2.1 客舱气流特征

客舱的气流特征会影响污染物的分布,湍流强度是影响空气中污染物浓度的直接因素之一,是描述速度波动相对强度的量,其分布显示了流场的不稳定性。湍流强度的计算公式[23]为:

(2)

式中,TI—— 湍流强度

k—— 湍流动能

U—— 平均速度

采样平面取在第2排与第3排乘客之间。恒值信号送风时,采样平面湍流强度分布如图5～图7所示。侧壁送风方式下,客舱中部稳定存在高湍流强度区域,并且位置逐渐下移,客舱左右两侧均零散分布着部分高湍流强度区域。天花板送风方式下, 湍流强度变化不大,高湍流强度区域稳定存在于客舱左右两侧,客舱中部及舱壁处湍流强度一直处于较低水平。混合送风方式下,t=100 s时,客舱右侧存在部分高湍流强度区域;t=150 s时,客舱右侧高湍流强度区域消失;t=200 s时,客舱左侧及中部位置出现部分高湍流强度区域。综上所述,恒值信号送风时,客舱内湍流强度变化最明显的是混合送风方式,天花板送风方式下湍流强度变化最小。

图5 侧壁送风方式下湍流强度分布(恒值信号)Fig.5 Turbulence intensity distribution under sidewall air supply mode (constant value signal)

图6 天花板送风方式下湍流强度分布(恒值信号)Fig.6 Turbulence intensity distribution under ceiling air supply mode (constant value signal)

图7 混合送风方式下湍流强度分布(恒值信号)Fig.7 Turbulence intensity distribution under mixed air supply mode (constant value signal)

三角波信号送风时,采样平面湍流强度分布如图8～图10所示。侧壁送风方式下,t=100 s时,高湍流强度区域分布在客舱中部及左侧;t=150 s时,客舱左侧高湍流强度区域消失,客舱中部原来的高湍流强度区域位置发生偏移,并新增2块高湍流强度区域;t=200 s时,客舱中部高湍流强度区域变小,客舱右部出现部分高湍流强度区域。天花板送风方式下,t=100 s与t=150 s时,湍流强度变化不大,t=200 s时,客舱右侧出现部分高湍流强度区域。混合送风方式下,t=100 s时,客舱右侧存在部分高湍流强度区域;t=150 s时,客舱右侧高湍流强度区域消失,客舱中部出现部分高湍流强度区域;t=200 s时,客舱中部高湍流强度区域消失,客舱左右两侧零散分布着部分高湍流强度区域。综上所述,客舱使用三角波信号送风时,湍流强度均发生了明显变化。

图8 侧壁送风方式下湍流强度分布(三角波信号)Fig.8 Turbulence intensity distribution under sidewall air supply mode (triangular wave signal)

图9 天花板送风方式下湍流强度分布(三角波信号)Fig.9 Turbulence intensity distribution under ceiling air supply mode (triangular wave signal)

图10 混合送风方式下湍流强度分布(三角波信号)Fig.10 Turbulence intensity distribution under mixed air supply mode (triangular wave signal)

2种送风信号下采用不同送风方式时客舱内不同时刻NO2质量分数如图11所示,由于飞机客舱内空间相对狭小,送风气流很容易在客舱内产生涡旋,涡旋会导致客舱中污染物出现聚集,湍流强度不断变化,连续波动的风速打破了由涡旋产生的空气滞留区,提高了空气流动性。三角波信号送风时,侧壁送风方式,天花板送风方式,混合送风方式下NO2质量分数比恒值信号送风时分别下降了5.2%,8.7%,6.5%,其中三角波信号送风时混合送风方式下NO2质量分数最低。

图11 客舱内NO2质量分数Fig.11 NO2 mass fraction in cabin

2.2 客舱排污能力评价

使用无量纲标准化污染物浓度C*用于评价客舱排污能力,其计算公式[24]为:

(3)

式中,Clocal为采样平面污染物浓度,Cout为出风口处污染物浓度,Cin为入风口处污染物浓度,截取t=200 s时第3排乘客位置处为采样平面,此时通入的空气为不含污染物的新风,因此Cin=0。C*越低,污染物浓度越低,排污能力越强。分别采用3种不同的送风信号对客舱进行送风,不同送风方式下采样平面上C*平均值如图12所示。