大型客机座舱内考虑送风系统的流动数值模拟策略

摘要

目前全球有超过1/4的人依靠飞机出行，飞机座舱环境问题日益成为关注热点。大量研究表明，飞机座舱内部的气流组织是影响机舱环境及乘员舒适性的关键因素。因此，准确高效地计算和分析机舱内部气流流动特征对预测和控制机舱内部空气品质及污染物扩散具有重要意义。因飞机舱整体尺寸较大，而舱内个性送风口尺度相对很小以及主送风和个性送风系统结构复杂，确立适用于飞机座舱内气流模拟的高效数值计算策略成为研究舱内气流流动特征的关键问题。
　　首先针对机舱大空间与局部个性送风口之间的高比例尺度问题给舱内复杂气流数值模拟带来的网格质量与数量的挑战，以MD-82飞机单排舱为研究对象，引入适用于个性送风口圆射流粗网格模拟计算的数值耗散修正模型（MDRκ-ε模型），通过与标准κ-ε湍流模型细网格下的射流结果的对比确定该模型能够在有效解决舱内网格匹配问题的同时将射流计算所需网格数量降低90％，进一步确立了与MDRκ-ε湍流模型相匹配的合理的单排舱网格尺度。采用MDRκ-ε模型对等温及空调工况下单排舱内部气流流动特征进行粗网格下的模拟计算，通过计算结果与实验数据的对比验证MDRκ-ε模型适用于舱内主气流的快速正确模拟，可在显著控制座舱主气流模拟计算所需网格数的同时保证良好的计算精度。由此，提出了采用MDRκ-ε模型将个性送风局部射流耦合到机舱主气流流动的座舱气流高效模拟计算策略。
　　进一步针对不同送风流量下的个性送风射流对舱内气流速度、温度分布以及人体热舒适度的影响的研究表明，在个性送风作用下舱内靠近过道乘客周围有更为均匀的流场速度和温度分布，舒适感更好。且随个性送风口送风量增大，个性送风口对乘客的影响无论是速度还是温度都会明显增强，但速度变化范围均集中在个性送风口中轴线附近，无强烈放射状扩散。
　　将数值模拟策略应用于飞机七排舱气流流动特征的模拟计算，在每排座舱送风条件一致情况下，获得了七排舱每排座舱周期性的主气流分布规律，同时确定在座舱过道、乘客头顶上方及肩部存在速度为0.05~0.1ms-1的弱纵向流动。
　　本文座舱气流模拟策略可为飞机整舱流场的快速正确模拟计算奠定基础，且带个性送风口单排舱及七排舱内部气流分布特征的研究结果可以为飞机座舱内部环境及污染物控制提供理论依据。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.3 本文主要工作

第二章 座舱气流组织数值模拟方法

2.1 座舱气流组织及送风系统

2.2 湍流数值计算方法

2.3 雷诺平均（RANS）湍流模型

2.4 MDRκ-ε模型在个性送风射流模拟中的验证

2.5 小结

第三章 MDRκ-ε模型在座舱气流模拟中的验证

3.1 座舱物理模型

3.2 舱内流动特征模拟

3.3 MDRκ-ε模型在座舱主送风流动模拟中的验证

3.4 小结

第四章 有个性送风单排舱的气流流动特征分析

4.1 个性送风口送风作用下座舱内部流场的流动特征

4.2 不同个性送风口送风量对舱内气流分布的影响

4.3 小结

第五章 七排舱内部气流流动特征分析

5.1 七排舱内部流动特征模拟

5.2 七排舱模拟计算结果分析

5.3 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢