客舱内自然对流运动队流场影响的实验研究

摘要

随着经济社会的快速发展，客机因其高速便捷的发展特点逐渐成为如今快节奏生活方式中的大众化选择。但目前的客机座舱环境存在众多关乎乘客安全健康舒适的问题，而这些都与座舱环控系统所营造的气流组织形式息息相关。因此如何设计合理的气流组织形式以建立安全健康和舒适的机舱热环境显得尤为重要。
　　在机舱内最为常见的混合送风形式下，空间狭窄而乘客密集的机舱内气流组织是自然对流与强迫对流相互作用的结果。本课题以B737-200模拟座舱为研究对象，分析自然对流在与强迫对流的作用中对整体流场和局部热环境的影响，建立起自然对流强度与舱内气流组织特征之间的量化关系，以指导气流组织的设计。
　　本文首先回顾了国内外机舱热环境的研究现状，分析了现有研究中的问题和明确了研究流动现象本质成因的必要性。其次，建立可模拟巡航状态的机舱热环境，采用点面结合的测量方法用于整体与局部流场的实验研究。采用PIV技术测量并对比标准风量下的等温和非等温工况流场，定性地分析自然对流的加入可对舱内流场的显著影响，并以N-S动量控制方程进行直观的佐证；结合舱内影响流场的因素来推导自然对流的量化评价指标，并以此确认多组实验工况。再采用PIV、UA和热电偶测量了各个工况下的整体流场形式、射流运动发展过程、人员区域的热环境；建立量化评价指标与整体或局部环境特征之间的量化关系，以便指导实际设计。最后为了使结论更符合实际情况，借助经实验数据验证过的数值模型讨论了低压对于舱内流场的影响。
　　研究发现：（1)自然对流的加入可改善流场的对称性、均匀性，加强射流的卷吸作用，并削弱其贴附效应以减缓衰减；由N-S动量方程计算出热浮力(自然对流)与惯性力(强迫对流)大小相当。（2)建立Re和Ar的组合与不同非等温工况的流场形式、射流特征和人员区热环境之间的定量关系。首先，至少在Re>3800，Ar<6时，可形成完整包围A/B/C乘客的大涡流场；其次，Ar与非等温射流中心速度衰减趋势快慢成反比；然后，根据射流水平动量和总热量不变的特征，结合自然对流Ar的影响，可推导得射流中心轨迹方程，与实验数据较吻合；最后，舱内Ar增强有利于人员区内热舒适提高，但也可导致风速静止区扩大，不利于热负荷和污染物排除，以及最佳风速区间0.1-0.2m/s所占区域的缩小；（3)在相同工况下，环境压力降至0.8atm提高了空气物性参数(热膨胀系数！)，舱内热浮力水平提高6.7％，对流场的自然对流运动影响可以忽略。

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第一章绪论

1 .1课题研究背景

1 .2国内外研究现状

1 .3研究内容及方法

1 .4研究意义

第二章实验测量系统建立

2 .1实验系统设计

2 .2实验设备的测量误差分析

2 .3标准工况下的七排模拟舱边界条件

2 .4本章小结

第三章标准工况下实验测量结果的分析

3 .1标准风量下的等温与非等温工况测量结果对比

3 .2自然对流的定量描述

3 .3实验工况设计

3 .4本章小结

第四章自然对流作用对流场影响的量化分析

4 .1不同A r数值下的整体流场分析

4 .2不同A r数值下的风口射流分析

4 .3不同A r数值下的的人员区热环境分析

4 .4本章小结

第五章低压环境对舱内自然对流运动影响的讨论

5 .1对流换热能力受压力变化影响的分析

5 .2单排舱数值模型的实验验证

5 .3常压与低压下的舱内热环境数值模拟结果对比

5 .4本章小结

第六章结论及展望

6 .1研究结论

6 .2研允展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢