大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究中期报告

大型客机座舱空气环境是国际热点研究问题,我国的大型客机项目对安全、健康、舒适座舱环境研究的需求紧迫。该研究针对国际航空界的最新关注点和研发大型客机的重大需求,重点解决大型客机座舱空气环境控制的两个关键科学问题:(1)座舱环境空气非定常分布与污染物非线性传递机理;(2)座舱环境多场耦合的物理特征与多参数目标控制的原理。并围绕上述关键科学问题,开展了6个方面的研究:(1)座舱空气非定常流动特征及数值模拟策略;(2)低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律;(3)座舱空气质量与热舒适系统实验评估准则;(4)座舱环境设计参数体系与适航标准的符合性验证方法;(5)座舱环境多场耦合反向设计基本原理;(6)座舱环境控制系统全飞行状态的动态调节机理。     

【主编特邀】——大型民用客机座舱气流组织的实验研究和数值模拟

正专家点评:民用客机已成为大众化出行方式的选择,但人们对机舱内的空气环境质量的要求也在不断提高.座舱环控系统不仅为乘员提供生命安全保障,同时保证乘员的热舒适和空气质量.环控系统是通过气流组织来实现对座舱环境的控制,但由于机舱内部空间狭窄,乘客密集,气流在复杂几何边界条件、多物理过程(浮力、传热、多相等)相互作用下呈不定常低雷诺数湍流.对这种流动的研究,无论是实验还是数值模拟都极为困难.本期天津大学学报刊登了3篇座舱气流实验测量和数值模拟的研究结果,有比较高的学术价值,值得一读.     

基于正交试验法的大型客机座舱气流组织优化及热舒适性分析

大型客机座舱的舒适性研究对我国自主研发的大型客机的市场竞争力具有重要意义．良好的气流组织是座舱舒适性的重要保证。而开展针对具体机型的气流组织优化研究是我国发展大型客机的突破点之一．为此,首先用真实MD-82客机座舱的气流和温度的试验数据验证了计算流体力学（CFD）模型,同时依据正交试验法安排了18个送风方案;然后用验证的CFD模型对18个送风方案进行了数值模拟,以座舱内垂直温差及局部风速为试验指标对其进行了评价,得出了试验中的最佳送风方案;最后对得出的最佳送风方案进行了热舒适性分析．研究结果表明,所采用的非定常RNG肛碳型能够合理地预测客机座舱内的空气流动．影响客机座舱气流组织最重要因素是行李架附近风口的送风速度,而天花板附近的侧壁风口送风角度对气流组织影响较小．优化得到的最佳送风方案能够营造热舒适性良好的座舱环境。预测平均热感觉指标约为-0．2．     

飞机环控系统引气污染耦合仿真研究

目前对飞机环控系统引气污染的研究无法从环控系统中污染物的产生到座舱内污染物的扩散进行整体仿真模拟。通常所采用一维系统仿真软件AMESim可以对飞机环控系统进行精确建模,获得各个部件内参数的变化;却不能得到详细的流场信息和污染物扩散信息。而计算流体力学软件FLUENT可以提供座舱内非常详细的流体计算结果;但却无法对环控系统各个部件进行精确建模。采用AMESim-FLUENT耦合计算模型,针对飞机引气污染建立联合模型,研究了污染物在环控系统与座舱内的扩散。研究结果表明,AMESim-FLUENT耦合计算模型可以成功模拟引气污染在环控系统以及飞机座舱内的扩散;且耦合计算结果比单一系统仿真模型计算结果更为精确。这种耦合计算方法对于飞机环控系统整体研究具有重要意义。     

【主编特邀】——大型民用客机座舱空气环境的实验研究和数值模拟

大型民用客机座舱中良好的空气质量是乘客安全、健康和舒适的保证.客舱中的空气流动是在复杂几何边界条件下多物理过程（浮力、传热、多相等）的低雷诺数湍流,对于这种复杂流动,无论是实验还是数值模拟都有极大困难.《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》本期刊登了天津大学环境科学与工程学院及其合作者在这方面研究的初步成果,4篇论文在该科学问题的实验研究和数值模拟方面显示出良好的开端.     

专家点评

大型民用客机座舱中良好的空气质量是乘客安全、健康和舒适的保证.客舱中的空气流动是在复杂几何边界条件下多物理过程(浮力、传热、多相等)的低雷诺数湍流,对于这种复杂流动,无论是实验还是数值模拟都有极大困难.《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》本期刊登了天津大学环境科学与工程学院及其合作者在这方面研究的初步成果,4篇论文在该科学问题的实验研究和数值模拟方面显示出良好的开端.     

考虑再循环风的飞机座舱引气污染仿真研究

目前,系统仿真以及计算流体力学(CFD)仿真是研究飞机环控系统以及座舱流场的主要手段。通过系统建模仿真可以获得飞机环控各个子系统及各个部件的主要工作参数;通过计算流体力学仿真计算可获得飞机座舱内详细流场参数。飞机环控系统与座舱作为一个连续的整体系统,在实际工作中相互依存、相互影响,然而在研究中却往往被割裂开,顾此失彼。通过AMESim与Fluent耦合仿真,研究了在考虑环控系统再循环风影响下,飞机环控系统——座舱整体模型中污染物的进入、扩散以及排除。通过对比有回风、无回风工况的差异,证明了耦合仿真方法在环控系统——座舱研究上的适用性。由计算结果可知,考虑再循环系统与不考虑再循环系统导致的座舱内CO污染物的扩散及排除规律完全不同。     

大型客机座舱空调通风实验平台搭建及实验研究

为了研究稳态边界条件下大型客机座舱内空调通风气流组织分布,利用一架退役但功能完备的全尺寸真实MD-82型飞机建立了一个座舱空气环境实验测量平台.设计了恒温地面式空调机组为飞机座舱输送空调新风,该机组送风参数满足乘客热舒适性要求并保持恒定,同时飞机蒙皮外表面覆盖两层闭孔海绵保温材料,避免大气温度及太阳辐射对机舱内壁面温度的影响.设计了一套发热假人模型系统,用于模拟座舱真实人体散热情况下的空调工况.利用热球风速仪和超声波风速仪测量了机舱送风速度边界,利用标准水银温度计和热成像仪拍摄获得机舱热边界,为CFD模拟提供精确的边界条件.对送风条缝测量发现,机舱送风非常不均匀.     

民用飞机客舱空气品质评价体系研究

民用飞机座舱内的空气品质是影响旅客和机组人员舒适性的主要因素,良好的座舱空气品质是为座舱提供优质舒适环境的重要保证,同时也是FAA等适航机构未来关注的要点之一。飞机座舱空气品质由座舱压力、温度、湿度、风速、热辐射、污染物等因素综合作用,本文从热参数、污染参数和压力三个方面分析不同参数对乘客舒适性的影响,得出舱内温度20℃～22℃(冬季)、25℃～27℃(夏季)、22℃～25℃(过渡季)、湿度≥5%、风速0.1m/s-0.35m/s、臭氧0.1(3h)/0.25ppm、可吸入颗粒物(PM10)0.15mg/m3等满足乘客舒适性的参数变化范围。     

客机座舱新型个性座椅送风系统的数值仿真

舒适性是大型客机的关键要求之一,座舱气流组织分配设计是否合理对乘员舒适性和健康性有直接影响.但是座舱传统的混合送风方式很难达到人们对舒适和健康的要求.为此,提出了一种新型的个性座椅送风方式,主要针对乘客对热舒适性和健康性的要求.个性座椅送风方式在乘客座椅的扶手处和座椅底部分别布置了风口.采用的座舱几何模型为3排单通道满员模型,计算方法采用目前广泛应用的计算流体动力学（CFD）数值仿真模拟方法,计算模型为RNG k-ε湍流模型.通过数值模拟方法得到两种送风方式下的速度场和温度场,进而得到多个舒适度指标.研究表明,个性送风方式可以提高乘客呼吸区域的空气质量,降低乘客周围的风速,使人体周围温度控制在24～26,℃的人体舒适区域,多项舒适度指标也表明个性送风气流组织的舒适性要优于混合送风.     

环境条件对微生物在滤料表面生长繁殖的影响

针对在适当的空气环境条件下,中央空调机组或大型客机环控系统中空气过滤器拦截的微生物可能在过滤器上大量生长繁殖的情况,挑选常用的玻璃纤维过滤材料,对其进行染菌,控制空气环境条件下培养,从而研究不同温湿度环境条件、滤料含水量以及不同滤料结构对微生物在滤料上生长繁殖的影响.结果表明:温度对含水滤料表面微生物最大生长繁殖量没有明显影响;在37,℃、90%相对湿度条件下的细菌最大生长繁殖量大约为加水滤料上的1/2,且大于相同温度下的低湿条件最大生长繁殖量;17,℃时,不同相对湿度条件下均没有生长趋势;低效滤料更适宜微生物生长.上述结论说明长期处于高湿度下的空气过滤器是最容易被微生物驻留并生长繁殖的部件,容易形成微生物二次污染.     

基于CFD仿真技术对某敞篷车外流场的优化

通过CFD方法对某敞篷车与硬顶车进行空气动力学仿真分析,对比流场发现敞篷车座舱内部形成的局部涡流区是造成周围气流回流从而降低乘坐舒适性与增加风阻系数的主要原因.通过延长挡风玻璃、提升后背高度、调整挡风玻璃倾角在33°附近,可显著减少回流到座舱的气流以提升乘坐舒适性,并降低气流在座舱及后背处发生的分离,有效降阻达16%,获得较好的空气动力学特性.      

现代旅客机座舱温度控制分析与应用研究

本文首先对现代旅客机上广泛采用的座舱温度控制形式进行了简要介绍和分析,并对当今主流干线客机B737-800和A320的座舱温度控制方案进行了分析对比,指出采用制冷组件和区域温度控制相结合的座舱温度控制方案符合当今设计理念以及越来越高的座舱舒适性要求。     

基于人体热舒适性评估的直升机空调通风系统优化设计

直升机座舱空间狭小、乘员密集并且热载荷大,需要引入新鲜制冷空气以满足多乘员热舒适性要求。因此,优化设计座舱空调通风系统具有重要意义。针对典型直升机座舱布局,建立了舱室和乘员三维模型。定义乘员周围温度、温度偏离、乘员周围速度、PMV和空气龄作为热舒适性评估指标;设计并计算3种不同空调通风系统布局方案,通过对热舒适性评估指标的综合比较分析,选定最优布局方案;在此基础上,采用多目标遗传算法,定义以PMV和空气龄为基础的双目标函数,对空调送风口位置参数开展仿真优化。通过分析结果数据和帕累托前沿,确定最优空调送风口位置参数,完成座舱空调通风系统最优设计。最后对仿真优化结果进行了试验研究,验证了仿真计算的准确性和有效性。     

基于激光散射法的气溶胶颗粒测量系统的接收参数分析

大型民用客机座舱空气中的颗粒污染物直接影响乘客健康和安全,需要采用有效的气溶胶检测系统及时发现空气品质的好坏,光散射式颗粒计数器是常用的检测设备.在光散射气溶胶颗粒粒径和计数浓度测量方法中,测量结果一般受被测粒子折射率影响.为了提高对客机座舱环境气溶胶粒径的测量精度,根据Mie理论和光通量计算公式,对大气中5种常见气溶胶粒子——水、硫酸、硫酸铵、炭黑和金属以及标准粒子聚苯乙烯（PSL）粒子,在不同接收方向角θ和接收孔径半角β值下的散射光通量F与粒径D关系曲线（F-D曲线）进行了全面系统的计算模拟,并模拟采用PSL标准粒子标定,计算并比较了3种接收参数下粒径模拟测量结果与理论值的误差情况.通过对大量模拟结果的比较分析,发现θ为40°和β为45°的接收参数下,5种粒子的F-D曲线较为接近且单调性较好,表明折射率对5种粒子测量结果的影响都较小.     

环控系统关于条款§25.841的设计与关键符合性验证方法

本文阐述了条款§25.841增压座舱的背景、理解难点,对环控系统满足此条款的设计考虑以及关键符合性验证方法提出建议。     

座舱高密度群体环境中病毒传播的数值分析

客机座舱被怀疑是有利于传染性疾病传播的高危环境,在呼吸传染病各种传播模式里,病毒携带者搭乘飞机等交通工具进行远距离、蔓延的飞点跳跃跨区传播模式的危害最深重。本文开展了人体咳嗽喷射气流流动显示实验研究,分析了可能的病毒携带体——口腔飞沫在空气中传播的过程,并借助计算流体力学仿真方法详细探讨了口腔飞沫的动态传播过程,为今后的研究工作打下坚实的基础。     

基于Airpak的夏季空调室内热环境数值模拟研究

基于Airpak软件,选用室内零方程湍流模型对一夏季空调办公室内热环境进行了三维数值模拟,得到室内气流组织下的流场、温度场分布.采用PMV-PPD与空气龄指标对室内人员热舒适性及空气品质进行了评价,并通过测试室内温度、风速参数,验证了数值模拟结果的准确性.研究表明:对于分体式空调器房间,气流组织分布与空调器的安装位置、室内设备的摆设以及室内人员的分布有关,不同的气流组织将形成不同速度场和温度场.室内温度场分布在水平方向比较均匀,在垂直方向产生明显的温度分层;室内零方程湍流模型能准确快速模拟空调通风房间气流组织分布,PMV-PPD与空气龄指标能对人体热舒适及空气品质进行数值预测与评价,为房间空调器送风温度、速度参数的合理设定提供参考依据;热环境数值模拟对空调系统的气流组织设计、运行调节具有重要的指导意义.     

地铁新环控系统可行性分析及性能优化

为降低地铁环控系统能耗,根据目前传统屏蔽门系统和安全门系统的优劣性,提出了可控风口的新环控系统．以某新建地铁为例对新系统的舒适性、通风及节能效果进行了分析论证．利用计算流体力学方法对列车进站和出站过程进行了非稳态模拟,分析了列车进站、出站过程产生的活塞风对站台站厅舒适性、通风效果的影响,并根据系统负荷及运行条件进行了节能效果分析．结果表明,新环控系统可兼顾屏蔽门和安全门系统的优点,当按照优化后的开口和控制方案运行地铁新环控系统时,站台内乘客活动区域气流速度小于5m／s,满足舒适性要求,同时可在屏蔽门系统的基础上降低能耗17．3％,节能效果显著．     

大型客机主要气动噪声机理及先进控制方法研究立项报告

在《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006—2020)》中,大型飞机是其中的16个重大专项之一。该研究以国家的这一重大战略需求为背景,针对科技部2011年度973项目申报指南中综合交叉领域"涉及飞行器的综合交叉研究"选题,开展大型客机气动噪声机理及先进控制方法方面的基础性研究工作。大型客机气动噪声的控制涉及飞机适航、安全、舒适等多个方面,是大型客机设计系统的关键环节。因此,任何致力于发展民航工业的国家,都将其列为需要不断突破的飞机关键技术。当前,随着环境保护条例愈来愈严格,国外在控制大型客机气动噪声方面也面临技术发展瓶颈。所以,如何以更灵巧,缜密的学术构想研究大型客机气动噪声的产生机理,进而发展更先进、可靠的控制气动噪声的方法,是国内外研究新的航空飞行器均面临的问题。该研究的负责单位为北京航空航天大学,参加单位包括中科院声学研究所,清华大学,香港大学,中国航空强度研究所(623所)以及中航商用飞机发动机有限责任公司等5个单位。