大型客机舱内流场对污染物传播影响的研究

摘要

随着全球一体化的加强，不同地域的人们越来越多的通过航空旅行联系在一起。航空旅行缩短了人们在地域上的距离，同时也缩短了一些细菌、病毒传播的距离。它不仅可以将携带病菌的旅客从一个地点快速地带到另一个地点，更重要的是在飞行过程中，狭小机舱空间内通风气流设计的不合理会导致传染病在机舱内的传播。因此，研究大型客机舱内污染物传播规律，有效地控制机舱内致病污染物的传播是十分重要的。
　　本文首先通过在7排座环境舱内多场同时测量，探索了机舱环境流场结构特点，以及气态和颗粒态污染物的实验方法。分析了双污染源的耦合作用，从跟随性的角度比较了气态和颗粒态污染物的分布，同时，对比了机舱内流场和建筑内流场结构差异，发现了机舱内流场结构多样性和间歇性的特点。
　　然后基于实验数据，对CFD数值模型中的湍流扩散项进行了修正，基于边界层理论，归纳出比较完善的沉降模型，并采用壁面网格剥离的方法在数值计算中进行赋值。将实验数据和模拟数据进行了对比和置信度分析，认为 RNG k-ε模型在现有的技术条件下可以得到合理的计算结果。基于模拟结果，分析了测点的布置规律以及污染物在模拟舱内的传播尺度和分布。
　　根据前面的实验和数值模拟数据，进一步分析了流场结构多样性和间歇性对污染物在机舱内传播的影响。对于流场结构多样性，从一个全新的涡结构的角度，分析了污染源在不同流场结构处污染物的分布规律；对于流场结构间歇性，结合污染物浓度偏态分布，应用Monte-Carlo模拟的方法分析了偏态不稳定性对于乘客暴露的影响。另外，提出“涡熵”和“暴露熵”的概念，从多样性和间歇性两个角度分析了仿真模拟舱的置信度。
　　最后，将模拟舱与真实飞机机舱的情况进行了对比，针对真实机舱内纵向气流的测量，提出了示踪气体差分法，并进一步分析了纵向气流的成因及控制方法。结合真实机舱内纵向气流的特点，对于稳态工况，类比传热应用一维计算模型，对于非稳态工况，提出了马尔科夫链计算模型，可以实现机舱整体浓度分布的稳态及非稳态快速计算。同时，根据表征飞机通风特性的特征矩阵可以实现简单的污染物逆向寻源计算。

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主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的研究目的

1.4 本课题的研究内容及方法

1.5 本课题的研究意义

1.6 本章小结

第二章 客机机舱污染物传播及PIV实验测量

2.1 机舱内污染物场的测量

2.2 实验结果与讨论

2.3 本章小节

第三章 客机机舱污染物传播数值计算

3.1 CFD模型

3.2模拟结果分析

3.3本章小节

第四章 基于实验和模拟的机舱环境及置信度分析

4.1 特征空气龄

4.2 流场涡结构对污染物传播的影响

4.3 基于Monte-Carlo 模拟浓度场偏态不确定性对乘客暴露的影响

4.4 本章小节

第五章 真实机舱环境的测量及快速计算模型的应用

5.1 基于浓度数据的机舱内纵向气流的测量

5.2 一维模型稳态计算

5.3 马尔科夫链的非稳态计算

5.4 本章小结

第六章 结论、创新点和展望

6.1 主要结论

6.2 论文的创新性

6.3 今后的研究方向

参考文献

发表论文、专利和参加科研情况说明

致谢