【主编特邀】——大型客机座舱空气环境质量研究

<正>专家点评:商用大型客机座舱的空气环境对乘客的健康和舒适非常重要.天津大学承担的国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目"大型客机座舱空气环境的关键科学问题研究"通过实验和数值模拟的方法对气流组织、气态污染物的传播以及座舱的热舒适和空气品质进行了基础研究.同时,针对座舱环控系统的优化设计方法、先进的环控系统及空气净化技术进行研究.项目的研     

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。     

耗散修正湍流模型在有个性通风机舱气流模拟中的应用

针对机舱大空间与局部个性通风口之间的高比例尺度问题给舱内气流数值模拟带来的网格质量与数量挑战,通过引入适于个性通风口圆射流的数值耗散修正模型(MDR k-ε湍流模型),并采用合理的机舱网格尺度配比,实施了有温差单排机舱舱内气流流动特征的数值模拟.通过与实验对比,验证了模型的可靠性,进而数值探究了个性通风口射流作用对舱内气流和乘客舒适度的影响,为舱内颗粒污染物控制的进一步研究提供了基础.     

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.     

大型客机座舱合理排数的数值模拟

由于计算资源的限制,设计座舱的气流组织采用全舱数值模拟的方法不够科学,确定合理的座舱环境模拟排数是获得气流组织真实信息的基础.为此,用经过验证的计算流体力学（CFD）方法对单通道座舱合理排数进行了数值模拟研究,包括空舱及满员两种情况;研究的座舱排数分别为1排、3排、5排、7排及9排,模拟工况为热天巡航,数值模型采用RNG k-ε模型.研究发现,对于空舱情况,由于复杂几何及边界条件对舱内气流的影响,至少需要5排座舱才能得到较合理的计算结果,7排及7排以上的座舱排数能得到准确的计算结果;满员情况下,由于人体热羽流对舱内气流流动起主导作用,故3排及以上的座舱排数能得到准确的计算结果.基于已确定的合理座舱排数,对半满员及满员两种情况下舱内的气流组织进行了对比分析.与满员情况下舱内气流组织呈对称分布不同,半满员情况下,每一排的气流都偏向人员多的一侧.     

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。     

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.     

基于COwZ模型的机舱环境模拟研究

摘要 机舱内部气流组织及污染物传播的研究对于创造舒适和健康的机舱环境是十分重要的。为了快速的得到机舱内部气流分布及污染物传播规律,本文选用COwZ模型,它是多区域模型的一种,应用4排座机舱模型对COwZ 模型进行了模型验证,把模拟结果与实验值进行比较,气流组织与实验测的的趋势符合,大部分实验测量点污染物无量纲比值的相对误差率在25%以内,得出结论COwZ预测机舱环境是可行的。     

基于幅流风机的地铁列车乘员人体热舒适分析

为研究幅流风机在地铁列车中对乘员人体热舒适影响.以应用新型幅流风机B型地铁车厢乘员为研究对象.采用数值模拟加载Stolwijk人体生理温度调节模型结合气流不舒适指标、Berkeley热舒适评价模型对车厢乘员人体热舒适进行研究.通过实验验证仿真模型准确性,分析了车厢空调送风温度为20℃时,加载幅流风机对乘员人体微环境和各指标的影响.并对比分析了不同频率扰动场函数工况乘员各指标差异.研究结果表明:幅流风机可提高车厢流场流速和均匀度,改善车厢内气流组织,优化人体微环境热流场.加载幅流风机后,乘员整体热感觉降低了7.3％、热舒适升高了0.76％.一定范围内,随着扰动频率的升高人体热舒适下降,最优扰动场函数频率为2.75次/min.     

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。     

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.     

【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.     

机舱通风口冲击射流湍流特征分析及验证

以机舱个性化通风口为背景,对自由射流加壁面冲击射流,采用几种湍流模型数值分析了10倍冲击高度、雷诺数为9,000的气流遇到冲击板后湍流脉动、流动转折等流动特征.探讨了湍流模型对冲击射流关键位置平均速度、脉动速度以及雷诺应力等流动参数特征的模拟能力,通过与实验测量结果的对比,确定了湍流模型在冲击射流中的适用性和局限性.综合来看,Relizable k-ε模型可以得到与实验值较好的符合度,但在近壁面区域会略有偏差.分析结果认为将RANS和LES组合将是开展实际机舱内通风口射流研究的最佳策略.     

船舶机舱内热环境数值模拟

采用计算流体力学的方法对已有机舱热环境进行数值模拟,使用计算流体力学软件FLUENT对机舱内温度场与速度场的三维分布进行数值计算,根据计算结果提出机舱通风的改进意见.研究结果可为船舶机舱通风系统设计提供理论依据,并对优化设计具有指导作用.     

城市街渠内气流的数值模拟与分析

数值模拟实验利用非静力、能量闭合的大气边界层模式对多个不同城市街渠单体在来流风向垂直于街渠时其内部的气流结构和湍流特征进行了模拟.模式能够较好地模拟出不同长度的三维街渠内的3种典型的气流结构:爬越流、尾流扰流和孤立粗糙流.将模拟结果与Oka的风洞实验结果以及Hunter等人的数值模拟结果进行了比较,两者能够较好的吻合.研究结果表明:街渠的形状对街渠中的气流结构的形成有至关重要的影响,在街渠长高比和高宽比不同的情况下将形成不同的气流结构.在街渠附近湍流活动的活跃区是相对稳定的.最后利用本模式对来流与街渠呈45°时的一个个例进行了模拟.     

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。     

座舱环控系统气流组织的数值研究

利用张量分析建立了三维贴体坐标系下的通用输运方程;并用贴体网格计算了座舱的三维速度场;在考虑环境条件及固气耦合的影响下,计算了座舱的三维温度场;在此基础上,对一典型的飞机空调布置方案进行了数值模拟和分析;计算结果为飞机座舱的环控系统设计、优化、控制提供了手段和理论依据．     

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。     

汽车安全气囊展开过程的仿真算法

对气袋织物的各向异性材料模型进行研究,将织物的拉伸和剪切仿真与试验结果对比,以验证材料模型的准确性.分别采用控制体积法(Control Volume,CV)与近年来新开发的粒子法(Corpuscular Method,CPM),对平铺与折叠气囊展开进行数值模拟,并对比气囊展开形态和压力结果对比.结果表明,CV方法只适用于IP(In-Position)乘员与气囊作用的仿真模拟,而CPM方法可模拟出气囊展开初期的高速气流运动,且计算效率较高,适用于OOP(Out-of-Position)乘员与气囊的相互作用仿真.     

流化床中烟丝颗粒的流动特性

为深入研究气流干燥原理,优化工艺参数,改进和开发气流干燥设备,对烟丝物料在流化床中的流化特性进行了研究.通过所建立实验装置,分析了送风量与进料量对烟丝在流化床内的数量浓度分布的影响.采用欧拉方法进行数值模拟,并进行了实验验证和对比,两者吻合较好.研究结果表明:流化过程中烟丝物料在流化床内分布不均匀,在近壁区域尤其是床内四角处,烟丝的数量浓度明显高于床内其他位置.数值模拟和实验研究均发现了烟丝在气流干燥过程中的结团现象和结团发生的主要区域,在此基础上提出了对流化床进行改进的方案,并进行了数值实验.结果表明,所提方案能够有效防止和减少结团的产生,为解决烟丝结团问题提供了很好的理论支持.