客机座舱内空气流动特征2D-PIV实验研究

摘要

定量描述机舱内复杂的非定常空气流动，优化机舱内气流组织，改善机舱环境质量，是国内外学者十分关注和亟待解决的问题。本文针对客机座舱及其环境特点，抓住机舱内低雷诺数空气流动的“弱湍流”特性，搭建了先进的实验测量平台，较系统地开展了全尺寸单通道模拟机舱内多种工况、多尺寸空气流动特征的实验研究与理论分析，为设计健康、舒适和节能型的机舱环境控制系统提供了数据与理论支持。主要贡献与创新：
　　（1）依托大型客机座舱环境仿真实验平台，搭建了大尺寸2D-PIV测量系统；总结了适用于机舱内空气流场特征研究的PIV拼接测量方法体系，实现了机舱内空气流场较准确的全场测量。与现有测量方法相比，该测量系统具有区域选择灵活（多尺寸、多截面区域测量）、流场结构显示精细（空间分辨率为11mm）、流动信息较丰富完整的优势（乘客腹部以上区域）。
　　（2）利用大尺寸 PIV拼接测量技术，实验获得了模拟机舱内不同工况、不同整体截面内全尺寸、高分辨率的流场信息，形成了数据库；进行了深化研究，总结了模拟机舱环境内的整体空气流动特征及其影响因素；通过对比分析各截面内的流场数据和流动特征，验证了PIV拼接测量技术的准确性和可重复性。
　　（3）基于PIV实验研究和理论分析：揭示了模拟机舱内不同工况下侧送风条缝风口射流的时均和非线性瞬态流动特征；分析了流动限制对射流发展规律的影响；归纳了流动准则数对复杂射流特征的影响，得到了惯性力和热浮力对射流作用的量化关系；建立了描述送风参数和射流特征关系的数学模型，为类似机舱乘客微环境内的流动控制提供了设计参考。
　　主要结论：（1）模拟机舱内的整体流场分布受射流惯性力主导；热浮力会造成两侧射流轨迹向下偏移、过流断面扩大和速度衰减变缓；热浮力可增强射流内外两侧的卷吸作用，有助于排除乘客区域的余热和污染物；乘客微环境舒适性主要受射流场的影响。（2）模拟机舱内的射流发展经历了从自由射流向贴附射流的转变；相关流动特征分区域研究表明，射流发展过程明显受流动限制的影响，流场准则数对射流的流动特征和气流模式具有关键控制作用；当非等温射流状态点同时满足Re≥4170和Arc≤4.5时，可实现完全循环的气流模式。

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第一章 绪论

1.1. 研究背景

1.2. 机舱内流动测速技术综述

1.3. 室内流动PIV测量技术原理及应用现状综述

1.4. 本文的研究目的和研究内容

第二章 机舱内流动测量实验装置

2.1. 大型客机座舱环境仿真实验平台

2.2. 大尺寸2D-PIV测量系统

2.3. 本章小结

第三章 机舱内流动大尺寸2D-PIV测量方法

3.1. 测量方法及参数设置

3.2. 误差分析

3.3. 本章小结

第四章 机舱内整体截面流场的测量及分析

4.1. 研究背景

4.2. 研究方法

4.3. 实验结果及分析

4.4. 本章小结

第五章 机舱内等温射流场的测量及分析

5.1. 研究背景

5.2. 研究方法

5.3. 实验结果及分析

5.4. 本章小结

第六章 机舱内非等温射流场的测量及分析

6.1. 研究背景

6.2. 研究方法

6.3. 实验结果及分析

6.4. 本章小结

第七章 机舱内射流场湍流结构特征分析

7.1. 射流场的瞬态流动特征及涡旋结构

7.2. 射流场的本征正交分解（POD）分析

7.3. 本章小结

第八章 结论和展望

8.1. 结论

8.2. 展望

参考文献

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