飞机个人通风:CFD热舒适分析|AutoAero202424期

摘    要 

如今，人们正在进行许多不同的研究，以开发飞机的个人通风系统。通过CFD数值算例分析，找出了初始射流温度和质量流量对头部、胸部和面部局部热舒适的影响关系。典型的区域飞机客舱几何结构采用两名乘客的座位。这些乘客的身体和手臂都是用数字人体模型制作的。

这项研究首先调查了个人通风喷气机是否只对一名乘客有影响，还是对另一名乘客也有影响。结果表明，该个人通风出口对局部热舒适的影响最小，对相邻乘客的影响最小。在不同的初始喷射温度下，计算了头部、胸部和面部的等效温度。结果表明，人体三个部位对初始射流温度的依赖程度不同，这是由于人体排风口距离的不同和布片热阻的不同造成的。较低的温度可能比较高的温度引起更大的不适。确定了在出口质量流量为0.0047 kg/s时，喷气入口温度低于19℃或高于50℃将超过各自的舒适极限。

01  前    言

对航空航天舒适工程师来说，最困难的任务之一就是让飞机上的所有乘客感到舒适。乘客之间有限的空间，座位之间的小间距，热源的可变性，空气温度和速度的不对称是提供可接受的热环境的一些障碍。另一个障碍是使情况更糟的个人差异。现在的典型乘客包括常旅客和新旅客。这可能会导致飞行过程中不同的反应(恐惧、恐慌、平静等)，从而导致不同的新陈代谢，从而影响他们的热感觉。除此之外，乘客的服装选择也有所不同。

所有这些事实导致最近的举措，以促进个人热气候调节，可以看到在高档汽车。在最近的出版物中也可以看到一些开发飞机个人热气候调节的研究。

众所周知，航空航天业是非常保守的，这些结果可能需要一段时间才能达到今天的乘客。在这种情况下，如果乘客必须改善他们的局部热舒适，从增压飞机开始使用的标准喘息器仍然是唯一的方法。

Gaspers是内部航空航天工程师对通常位于乘客头部上方的空气扩散器的通用名称。他们通常允许乘客调整喷气机的方向和速度。传统的止气阀有一个内部针，可以关闭出口或让流量通过一个10毫米的孔，使一个非常直接的空气射流。

通常喘息机的空气来自空调系统。系统阀门中的逻辑可以设置为不允许气体温度过高或过低。前者不能起到降温的效果，后者则会引起感冒不适。本文给出了一个示例分析，解决了两个问题:

a.气窗的简化CFD模型能否证明其作为个人(局部)通风系统的用途，即它能否在不干扰相邻乘客的情况下提供局部热舒适?

b.b.如果上述问题的答案是肯定的，那么为满足乘客舒适度要求，提供给气垫的进气口的必要设计温度限制是多少?

为了回答这些问题，我们进行了一项CFD研究，让人体模型坐在典型的区域喷气机内部配置中。使用ISO 14505-02标准方法作为评估舒适性的标准。

02  利用等效温度进行热舒适性评价

   Wyon等和Holmer等提出了使用等效温度评价热环境的标准。在夏季和冬季的典型条件下，在车辆中对20人进行了乘客身体18个部位的理想等效温度及其容忍极限测试，如图1所示。在ISO 14505-02标准中采用了相同的限制。

图1 夏季条件下等效温度和公差极限的理想轮廓   

人体的校准

按照ISO 14502-2标准附件C的要求，在风速接近于零、空气和壁面温度相同且均匀的气候室中对用于物理评估的仪表化人体模型进行校准。

   在此校准程序中，人体模型各部分的传热系数hcal将使用式(1)确定:

hcal =标定传热系数[W/m2]。℃]

teq =等效温度(25℃或21℃)[℃]

ts =人体部分表面温度[℃]

q =人体节段热流密度[W/m2]

获得标定传热系数hcal后，在实际环境中测量新的表面温度ts(考虑恒热流法)或新的热流q(考虑恒定的“皮肤”温度)，并使用式(2)计算每个人体节段的等效温度teq:

  为了评估等效温度，最好的方法是使用热模型或带有加热传感器的模型。

  Nilsson对热人体模型的使用进行了详细研究。热人体模型应具有一定的特性，以用于评价车内热舒适性。一个典型的不模拟出汗的热人体模型是用铝制的结构建造的，上面覆盖着塑料泡沫。每个独立加热的区域都被电阻覆盖，然后被塑料树脂覆盖。温度传感器安装在人体模型的表面。

  对于温度和热流的控制，基本上有三种控制方法:恒定表面温度、恒定热流和Fanger皮肤舒适温度方程:

a.在第一种方法中，控制系统保持“表皮”表面温度恒定，通常为34℃。

b.在恒热流法中，不存在控制系统;施加在人体各部分电阻上的张力和电压保持恒定。

c.第三种控制方法采用修正的Fanger皮肤舒适温度方程，扣除皮肤水分蒸发散失的热量。

数字假人

随着先进的模拟通风环境的CFD代码的发展，一些研究人员开始研究人体的数值模拟。Nilsson在他的著作中列出了人体的9种生理模型和热人体模型的12种构建方法。这些数字显示了最近人们对这个话题的极大兴趣。

    这些模型的复杂程度差别很大。一些拥有生理和心理模型，而另一些只评估人体部分规定的热流或温度。

    第一类是三维模型，既具有随外界环境热变化的模型，又具有人体内部(体温调节系统)热变化的模型。

    其他类型的三维模型不包括生理和心理模型，只考虑人体表面的热流或规定温度。

03  数值模拟与数值计算

  在本研究中，使用了数字热人体模型方法。生成了一个拟人化的几何体。人体位于中心，如图3所示。网格有88.5万个元素。采用Fluent CFD代码进行仿真。用可实现的k-ε湍流模型将空气建模为理想气体。采用离散坐标法对辐射热交换进行建模。模拟后，根据公式1计算出了用于等效温度计算的标定换热系数hcal。

    需要注意的是，本研究中所获得的人体各个部分所需的传热系数和计算出的等效温度适用于ISO 14502-2标准所要求的假定的“地板置换通风”方案。定量结果是否适用于商用飞机上使用“完全混合通风”的其他客舱环境，还有待进一步研究。

图2 18节段计算人体的几何形状

图3 实验室和人体网格

传热计算边界条件

空气供应-空气供应通过地板完成，并被建模为完美气体，入口速度为0.03 m/s，平行于侧壁，温度为25°C，除了在人体模型下(0.7 m x 0.95 m)。考虑湍流强度为5%，水力直径为5.3 m。

排风-排风由天花板完成，并建模为压力表压力为零的压力出口。

室壁-使用黑体温度法指定室壁温度:25°C。考虑发射率等于0.95。

人体模型-人体模型表面温度保持恒定在34°C。每个体区的热阻分别为0.178、0.009和0.138 m2。头皮、面部和胸部分别为oC/W)。考虑使用不同衣服厚度的具有不同热阻值的“棉质材料”。

加斯珀喷气机对邻近乘客的影响

gasper气流的影响是使用典型的区域飞机几何图形完成的，如图4所示。对称的客舱几何形状被使用，两名乘客并排坐在一个空座位在前面。在前、后座舱表面设置周期边界条件。gasper位于顶置箱上，入口直径为10毫米。通过对靠近壁面的乘客(人体模型A)的喷气射流路径进行精细细化，生成了一个网格，如图5所示。网格有150万个四面体元素。

图4 人体模型在驾驶室内的位置

图5 切割网格与平面通过在头部的中心 请注意人体模型的A头和排气口之间的细网格

使用Fluent CFD代码进行模拟。用可实现的k-ε湍流模型将空气建模为理想气体。采用离散坐标法对辐射热交换进行建模。飞机墙体的外表皮温度为-40℃，采用典型的飞机隔热材料。地板的热阻设置为5℃。两个进气口提供的进风温度为23℃，恒定速度为0.88 m/s。一个入口在顶舱和天花板之间，另一个入口在靠近侧壁的顶舱底部。压力出口设置在机舱出口。研究的第一件事是喷气机是否只对一个乘客有影响，还是对相邻的乘客也有影响。在50℃的高温下，选择0.0047 kg/s的气体质量流量来产生高非等温射流。

04  结果和讨论

图6显示了射流速度和封头表面温度。我们首先计算了头皮、面部和胸部的等效温度(teqs)，这将是受影响最大的人体部位。进行了两种模拟:一种是在假人A头/面方向打开gasper阀，另一种是在gasper阀关闭的情况下。结果如下:可以看出，在没有喷气射流的情况下，靠近壁面的人体模型(A)的teqs(平均0.7℃)高于靠近壁面的人体模型b。这可能是由于靠近壁面的空气环流较低。可以注意到，当气阀打开时，靠近走廊的人体模型的温度平均升高了0.7℃左右。这表明邻座的乘客对从排气口喷出的热空气有一点感觉，但没有引起太多注意或烦恼。这不是很常见的这些高温发生在低压空调管道中。

图6 切割网格在射流轴对称平面上体积网格用速度面板着色，人体模型头部网格用温度面板着色

表1 有和没有气垫空气喷射的人体模型A和B的头皮、面部和胸部的等效温度

喷气枪对准头部的人体模型头部和胸部温度升高了1.6摄氏度，面部温度下降了3.7摄氏度。这一现象的发生与表面的高对流换热有关。由此可见，即使是高温气垫射流，也能促进局部(面部)热舒适，而对周围乘客的影响很小。

上、下排气口温度限制

    这项研究使用了与之前相同的网格。计算了与先前人体模型相同部位的平均等效温度。

    一旦发现气阀温度对邻近乘客的影响很小，就进行调查以确定可接受的上、下气阀入口温度。在这项研究中，它使用了与先前研究相同的网格。计算了进口温度分别为60、50、24、19和5℃时相同模型(A)零件的平均等效温度。遵循人体模型A部分的等效温度。

表2 不同气垫入口温度下的等效平均温度

    这项研究使用了与之前相同的网格。计算了与先前人体模型相同部位的平均等效温度。

    一旦发现气阀温度对邻近乘客的影响很小，就进行调查以确定可接受的上、下气阀入口温度。在这项研究中，它使用了与先前研究相同的网格。计算了进口温度分别为60、50、24、19和5℃时相同模型(A)零件的平均等效温度。遵循人体模型A部分的等效温度。

05  结    论

本文以实例分析了利用CFD能力研究飞机客舱气流对乘客舒适度的影响。初步分析发现初始射流温度和质量流量对头部、胸部和面部局部热舒适的影响。结果表明，该个人通风出口对局部热舒适的影响最小，对相邻乘客的影响最小。当出口质量流量为0 0047 kg/s时，喷气入口温度低于19℃或高于50℃将超过各自的舒适极限，在此条件下，将失去局部加热和冷却效果。