基于热舒适性的乘员舱气流组织设计_蔡致鹏.pdf

第 卷第期空军工程大学学报 年月 收稿日期：作者简介：蔡致鹏（），男，江西吉安人，硕士生，研究方向为飞行器系统工程。：通信作者：王新阁（），男，吉林长春人，教授，研究方向为飞行器系统工程。：引用格式：蔡致鹏，王新阁，张晓康，等基于热舒适性的乘员舱气流组织设计空军工程大学学报，（）：，（）：基于热舒适性的乘员舱气流组织设计蔡致鹏，王新阁，张晓康，连彬，刘家璐（空军航空大学，长春，；部队，江苏苏州，；部队，广东汕头，；部队，黑龙江牡丹江，）摘要为研究乘员舱内不同气流组织下的人体热舒适性，找出进气参数对人体热舒适性影响的规律，将 计算得到的种进气方案的流场结果作为环境参数导入 中进行热舒适性分析。同时引入面部平均空气龄和能量利用率两项指标对乘员舱气流组织进行更全面的评价。结果表明进气总量对位乘员热舒适性和平均面部空气龄影响程度最大，号口进气温度对能量利用率的影响程度最大。综合考虑位乘员的热舒适性、面部平均空气龄和能量利用率项评价指标，发现当进气总量为 ，、号口进气温度都为，、号口进气量比值为时项指标均表现良好，为最优的进气参数组合。关键词 人体热调节模型；热舒适模型；气流组织；正交实验法 中图分类号 文献标志码文章编号 （），（，；，；，；，），；空气在飞机座舱内形成的分布与流动被称为座舱气流组织。从飞行器座舱内气流组织的角度来看，座舱内温度场和速度场分布直接影响飞行员和乘员的热舒适感。有研究表明稍凉的环境下人员的工作效率较高，而过热和过冷都导致工作效率下降，其中过热导致的工作效率下降幅度较大。同时通过合理设计气流组织可以充分利用制冷功率，减少能耗，减少引气量。所以如何在座舱内营造良好的气流组织，在保障人员安全、舒适、高效工作的同时，减少能耗，成为飞机环境控制系统设计中的重要部分。计算流体力学（）技术已广泛的应用到座舱气流组织的研究中。等用 方法研究了舱内人员的热负荷对座舱流场的影响，计算了座舱的个截面的速度场、温度场，模拟结果与实验数据基本吻合。等计算了波音 乘员舱内的速度、温度分布和 浓度场，在此基础上，比较了种空气分配系统的优劣。等设计的个性化通风系统能改善飞机巡航期间经济舱的空气质量，降低乘员周围污染物浓度。张大林对某型军用运输机改装而成的特种飞机乘员舱内的气流组织进行数值模拟，确定供、排气口在纵向的位置，并在实际中得到了应用。吴丹以某型号战斗机座舱为研究对象，对特定条件下座舱内的气流组织进行了数值模拟，结合相关生理学标准研究送风速度对热舒适性 的 影 响 并 改 进 了 送 风 方 案。宋 凯 结 合 人体热调节模型对新舟 型飞机座舱内制热和制冷两种气流组织下的人体皮肤温度、核心温度进行预测，并以此为依据评价乘员舒适性。吴垌在制冷工况下对波音 客舱内的流场进行模拟，选取空气分布特性指标和由吹风不满意度作为指标评价局部热舒适性，用功效系数法建立综合评价函数，计算最佳送风速度。目前多数研究在进行乘员舱热舒适性分析时把人体按定温或定热流量处理，没有考虑人体自身的生理调节作用，不能完全反映周围环境对人体的热影响。用均匀环境下的舒适性评价方法评价飞机乘员舱这种狭小非均匀环境也存在局限性。本文采用 人体热调节模型和 热舒适评价模型，结合 模拟乘员舱内流场的结果对不同进气方案下人体热舒适性进行分析，同时采用空气龄和能量利用率对不同进气方案进行评价。人体热调节模型人体热调节控制见图，是由主动控制系统，被动受控系统和环境模型部分组成的负反馈闭环控制系统。图人体热调节系统简图被动受控系统由于人体几何外形复杂，在 的研究中对人体外形做一定的简化。图将人体分为 个节段，每个节段抽象成圆柱体，由内到外分为核心层、肌肉层、脂肪层、皮肤层。各节段的尺寸和生理组织参数见文献。图人体模型节段及组织划分人体 节 段 和 组 织 之 间 的 传 热 过 程 可 以 用 生物传热方程描述：（）（，）（）式中：为组织之间的热导率（）；为组织 温 度（）；为 半 径（）；为 组 织 密 度（）；为代谢产热率（）；为血液密 度（）；为 血 液 灌 注 速 率（）；为血液比热容（）；，为 动 脉 血 液 温 度（）；为 组 织 比 热 容（）；为时间（）；为几何系数，取为柱坐标，取为球面坐标（头部）。血液循环在人体热调节中至关重要，人体血液循环系统被模拟为中央血池、逆流换热、节段血管个部分。中央血池通过动脉向身体各节段供应温空军工程大学学报 年血。在各节段的组织被灌输之前，动脉血液被邻近静脉中的回流血液预冷。根据方程（）血液在毛细血管中通过对流交换热量后变成静脉血液。静脉血液随后聚集在主静脉中，并在回流到中央血池时被来自相邻动脉的热量预热。假设血管里血液质量是连续的，则逆流换热后动脉血的温度降低对应静脉血的温度升高：（，）（，）（）逆流热交换的热量由 方程得到：（，）（）由式（）和（）得出：，（）其中：，（）式中：，为中央血池温度（）；，为静脉血液温度（）；，为逆流换热后静脉血液温度（）；为 逆 流 换 热 热 量（）；为 逆 流 换 热 系 数（）；为体积（）。环境模型人与环境的换热主要通过对流、辐射、蒸发、与环境进行热交换，计算方程为：，（）（），（）（?）（）（?）（?）（）（）（）（）（）式中：为对流换热量（）；为皮肤表面温度（）；为环境温度（）；，为混合对流换热系数（）；、为回归系数；为空气流速（）；环境对身体部位的辐射热通常为长波辐射，为辐射热交换量（）；?为平均辐射温度（）；为辐射换热系数（）；为有效面积因子，头部取 、躯干取 、上 肢 取 、手 部 取 、下 肢 取 、足取 ；为服装黑度；为蒸发换热量（）；为 蒸 发 换 热 系 数（）；为皮肤表面水蒸气分压（）；为空气中水蒸气分压（）；为透湿指数；为面积系数，即衣物覆盖面积与体表面积之比；为衣物热阻（）；为刘易斯系数，取 （）。主动控制系统 总结出人体热调节主动控制系统由中枢神经系统调节和辅助性局部调节两部分组成。人体在热中性条件下，核心温度为（），平均皮肤表面温度为?（）。环境条件变化时偏离中性值的大小 用、?表示。中 枢神经系统监测、?和平均皮温变化率?，通过出汗、寒颤、血管舒缩种调节方法来改变肌肉代谢产热量、皮肤表面血液灌输率、出汗量和肌肉血液灌输率达到调节体温的目的。血管舒张量（）、出汗量（）、血管收缩量（）和寒颤量（）可表示为、?的双曲正切函数，当差值为时，人体的热调节响应为，当差值越大时，响应强度越大，但当差值达到一定程度时，主动热调节响应达到极限，依靠人体自身的调节作用将不能维持体温稳定，需要寻求外部干预。具体函数表达式为：（?）?（）（?）?（）（）（?）?（）（）（?）?（）局部调节指 效应，用于衡量生物组织对环境温度变化的响应程度，是无量纲参数，为生物组织响应程度的大小，为组织的温度。冷血动物在不同组织温度下响应不变，机体对温度变化不敏感，。人体的 值约为，组织温度升高，人体的响应强度强度增大倍。（）热舒适评价模型 在 大 量 实 验 结 果 的 基 础 上 提 出第期蔡致鹏，等：基于热舒适性的乘员舱气流组织设计 热舒适评价模型，包括局部热感觉，整体热感觉，局部热 舒适，整 体 热 舒 适 。局 部 热感觉（，）是局部皮肤温度、平均皮肤温度、局部皮肤温度变化率和核心温度变化率的逻辑函数，在稳态环境中局部热感觉为：（，）（，）（?，）（）式中：，表示某节段局部皮肤温度；，为某节段局部皮肤温度的调定温度；?，为平均皮肤温度调定温；、为回归系数。整体热感觉（，）是根据身体各节段的局部热感觉来计算的：（）式中：为不同身体部位的影响权重。人体局部热舒适（，）由局部热感觉和整体热感觉共同决定：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：、为回归系数；为修正指数，不同身体部位取值不同。整体热舒适（，）为个最小局部热舒适与最大热舒适的平均值。评价标尺见表。，（）表点评价标尺热感觉极冷冷凉稍凉中性稍暖暖热极热热舒适极不适很不适不适轻微不适没感觉轻微舒适舒适很舒适极舒适赋值 数值模拟控制方程流体的流动与传热满足三大守恒定律，个控制方程可统一表达为：（）（）（）（）式中：为通用变量；为流体密度；为速度矢量；和分别为变量的扩散系数和源项。空气龄空气龄是空气从入口到达某点所需要的时间，某点空气龄越小，空气越新鲜，空气品质越好。稳态条件下空气龄运输方程为：（）（）（）（）式中：为某点空气龄（）；为 数，常取值；为湍流 数，常取值；为动力黏度；为涡黏系数。能量利用率能量利用率用于考察气流组织的能量利用有效性：?（）式中：为能量利用率；为排气口温度；为进气口温度；为舱内平均温度，能量利用率越大越能减少制冷能耗。几何模型及网格划分参照特种机工作舱的内部构造，对乘员舱进行一定的简化处理，保留座椅、人体、进排气口，将操作平台简化成平板。考虑到工作舱的左右对称性，只对一侧进行研究。用 建立起长，宽，高，名乘员的单侧乘员舱模型，天花板和地板进气口尺寸为，编号为和，侧壁上有个排气口，尺寸为，编号为，如图所示。对乘员舱进行非结构网格划分，生成 万网格，如图所示。图乘员舱简化模型空军工程大学学报 年图乘员舱网格计算条件设置入口 空 气 设 置 为 混 合 物，氧 气 体 积 分 数 为，二氧化碳体积分数为 ，水蒸气体积分数为 ，其余为氮气。采用 模型描述湍流。内壁面采用定温度边界条件，温度为舱内平均温度，操作平台热流密度为 。乘员代谢水平设置为 ，着装为长袖夹克、长裤和硬质胶鞋，服装总热阻为 。采用正交实验法对进气总量，号口进气温度，号口进气温度，、号口进气量分配比进行四因素三水平分析。因素水平表见表，实验设计方案见表。将 计算的流场结果作为环境参数导入 中进行热舒适分析。表因素水平表水平位级因素进气总量（）号口进气温度号口进气温度、号口进气量配比 表正交实验方案设计试验编号 结果分析为方便流场分析，将乘员从右至左依次编号到号，可以预测整个流场左右大致对称，所以选取人面部 处截面，号乘员身体对称面，号乘员身体对称面，号乘员身体对称面进行分析，如图所示。图截面示意图流场分析由于篇幅原因，只分析工况的流场。如图所示，在两乘员之间和乘员舱左右上角是高流速区域，中间乘员胸部，肩部区域空气流速也较高。温度分布呈现下低上高。从图中还可看出流场大致左右对称，印证了之前的预测。（）速度（）温度图面部截面处流场第期蔡致鹏，等：基于热舒适性的乘员舱气流组织设计如图所示，来自号口的气流与来自号口的气流在靠近地板处相遇对冲。在号乘员到号乘员之间区域，来自号口的气流向斜上方偏转，流向出口。被座椅阻挡的气流一部分反向偏转沿着座椅向上流动，速度衰减，一部分绕过座椅从两侧流动到胸部和手部之间区域再流向出口；来自号口的气流对冲后，偏转流向操作台下方区域，速度逐渐衰减。在两侧的两乘员之间区域，来自、号口的气流则水平偏转并在脚部区域又向两侧偏转，最后向上流动到出口。所以、号乘员胸部手部之间区域气流速度较大，号乘员脚部区域空气流速较大。（）号乘员（）号乘员（）号乘员（）整体流线图速度场图显示了乘员舱内温度分布情况，整体舱内温度比较均匀，没有明显的大面积高温区域，操作台的散热能被带走。温度场的分布与速度场呈现相关性，即高流速区域温度较低。人体周围有轻微热羽流现象，除号乘员大腿处温度稍高，号乘员脚部温度稍低外，乘员周围温度较为均匀。（）整体温度（）号乘员（）号乘员（）号乘员图温度场空军工程大学学报 年热舒适性分析工况下热舒适情况见图。如图（）所示，位乘员手臂和脚热感觉指标相对较高，颈、胸、背、腹部热感觉指标相对较低。号乘员手部因为空气流速高，感觉到凉，号乘员左小腿处风速也较大，感觉为凉。在大部分节段位乘员局部热感觉接近。如图（）所示，位乘员腹部的热舒适指标都小于，感到轻微不适，其他节段热舒适指标大于。大部分节段热舒适情况接近，主要差异在头部、手和大腿处，号乘员因为头部风速较大，舒适性相对于其他两位乘员较低。图（）显示位乘员整体热感觉与热舒适指标差异很小，整体热感觉均在的微凉范围内，整体热舒适指标在之间，位乘员整体感到舒适。（）局部热感觉（）局部热舒适（）整体