2. 沈阳航空航天大学 航空发动机学院, 沈阳 110136;
3. 沈阳航空航天大学 经济与管理学院, 沈阳 110136;
4. 陆军航空兵研究所, 北京 101121
2. School of Aero-engine, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China;
3. School of Economic and Management, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China;
4. Army Air Force Research Institute, Beijing 101121, China
民机座舱的热舒适性是目前国内外研究的重点内容，也是民机性能在经济市场中重要的竞争力之一。PMV指数是以人体热平衡的基本方程及心理学主观热感觉的等级为出发点，考虑人体热舒适感诸多有关因素的全面评价指标[1-4]，是目前国际上公认的衡量环境热舒适性的重要参数。
关于太阳辐射对飞机影响的研究，国外最早开始于20世纪中期。如建立于1947年的美国麦金利气候实验室，采用发热灯代替太阳光源，并且已经成功地开展了多组飞机实验[5]；俄罗斯Obninsk企业为第五代战斗机T-50生产复合材料部件，开发了一种独特的涂层，以保护飞机的玻璃座舱免受太阳辐射[6-7]；Beck等[5]和Battistoni[8]通过具体的物理理论计算，分析了太阳射线中的能量对飞机飞行过程的影响。
国内对于太阳辐射和热舒适性的研究目前还不完善。由于中国无容纳飞机开展气候环境实验的实验室，相关研究也进行的较少，仅仅在理论和飞机窗户材料方面有所研究[9]。杨建忠、王振斌等[10]对飞机座舱的温度扰动进行了实验研究分析；何良、吴长水等[11]根据雷诺平均的方法，采用射线追踪方法，计算了太阳辐射对汽车乘员的温度场，并且分析了隔热玻璃对舱室内乘员温度场的影响；郝贵和、刘永辉等[12]基于ASHRAE模型分析了客舱表面太阳辐射量。
目前，对太阳辐射和热舒适度的研究很多都是在理想的理论环境下进行的[13-14]，很少有学者做过实际测量[15-16]，也没有提出合理有效的改进措施。本文以实际航班测试与CFD仿真为基础，采用实际的动态温度测量数据作为CFD动态仿真的边界条件，详细建立了与实际民机客舱相近的物理模型，再现民机客舱内部在太阳辐射下温度和热舒适度的分布情况，为提高民机客舱热舒适性提供详细准确的参考依据。
1 太阳辐射热效应测试与分析 1.1 实际客舱温度数据实时采集实验1) 测试方法
从飞机地面待机开始，到整个飞行包线结束的过程中，每隔5 min测量一次客舱内各壁面的温度和舱内压力。客舱内部区域划分如图 1所示。
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| 图 1 客舱内部区域划分示意图 Fig. 1 Schematic diagram of cabin interior zoning |
将客舱横向划分为向阳和背阴两侧面，两侧面实验测点分布完全对称，所以取客舱向阳面为例，说明实验测点分布情况。在远离窗户的侧壁上分别取上、中、下3点，求平均值得到侧壁的温度，如图 2所示。
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| 图 2 侧壁温度测点分布 Fig. 2 Temperature measurement point distribution of side wall |
窗户在采取遮光板时，选取4个温度测点，分布在窗上，4组测量数据取平均值得到窗户温度值，如图 3所示。地板温度测点共3个，沿横向分布在乘客脚底，3组测量数据取平均值得到地板温度值，如图 4所示。
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| 图 3 窗户温度测点分布 Fig. 3 Temperature measurement point distribution of window |
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| 图 4 地板温度测点分布 Fig. 4 Temperature measurement point distribution of floor |
2) 测试设备
测试设备信息如表 1所示。
| 测量仪器 | 测量范围 | 精度 |
| 温湿度压力传感器 | 30~110 kPa | 0.15 kPa |
| Testo热线风速仪 | 0~10 m/s | 0.1 m/s |
| Testo红外线温度计 | -30~400℃ | 2% |
3) 航线信息
为了更好地对比太阳辐射效应对飞机客舱热舒适性的影响，选取春季、夏季和冬季3个季节，航线在南北方向且飞行时间较长的6组航班进行实验测试，目的是获取更多的测试数据及使测试结果更具对比性。具体的航班信息如表 2所示。
| 编号 | 季节 | 往返地 | 航班号 | 机型 |
| 1 | 春季 | 北京—厦门 | HU7191 | B787 |
| 2 | 春季 | 厦门—北京 | HU7192 | B787 |
| 3 | 夏季 | 北京—昆明 | HU7211 | B787 |
| 4 | 夏季 | 昆明—北京 | HU7212 | B787 |
| 5 | 冬季 | 北京—丽江 | CA1469 | A319 |
| 6 | 冬季 | 丽江—北京 | CA1470 | A319 |
1.2 测试结果分析
根据适航标准和通风卫生标准的规定，乘客区域气流速度不超过0.36 m/s，通过整理6组航班的测量数据发现，实验测量人体周围的风速约0.1~0.2 m/s，对热舒适度影响很小；在飞机起飞和降落的过程中，向阳面和背阴面随着时间反复变化，数据相差较大。因此，本文主要分析飞机在平飞阶段温度测量数据，结果如图 5所示。
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| 图 5 不同季节客舱内部温度测试结果曲线 Fig. 5 Temperature measurement curves of cabin interior in different seasons |
根据测量数据结果曲线，可得如下结论：
1) 由图 5(a)可以得出，春季、夏季和冬季飞机客舱内地板的温度相差很小，同一航班上向阳和背阴两侧地板平均温度最大温差不超过2℃。主要原因是：地板不受太阳光直接辐射，热量经过窗户进入客舱后传递到各个区域，最终太阳辐射的热量只有很少部分传递到地板上。
2) 由图 5(b)可以得出，向阳面和背阴面侧壁的温度差值受季节性影响程度比地板较大，夏季最高温度25℃，春季最低温度21℃，两季节客舱侧壁温差可达4℃；但是同一季节里向阳面和背阴面的侧壁温差在2℃，同样说明侧壁温度受太阳辐射影响较小。
3) 由图 5(c)可以得出，客舱窗户温度受太阳辐射影响很大，3个季节里向阳面和背阴面的窗户平均温差高达20℃。冬季窗户最高温度36℃，最低温度16℃，局部最大温差达到20℃。主要原因是：向阳面窗户直接受到太阳辐射，导致温度升高。
实验测试结果表明，从飞机客舱内部窗户到侧壁再到地板的垂直方向上，温度场分布极不均匀，从而造成乘客热舒适性较差。特别是靠近向阳侧窗户周围，即使采取遮光措施，但是较高的辐射温度给乘客带来极不舒适的感觉。
2 民机客舱热舒适性仿真 2.1 PMV评价指标在ISO 7730—2005[17]热舒适性标准中，PMV指标的推荐值为-0.5~+0.5，即如果在环境中的90%的人觉得热舒适性情况良好，则该环境可以称为热舒适环境。本文的CFD模块中，PMV公式如下：
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式中：M为人体代谢量，W/m2；W为人体对外做功，W/m2; Pa为周围空气中水蒸气分压，Pa；ta为人体周围空气温度，℃；tcl为服装外表面温度，℃；tr为周围环境平均辐射温度，℃；fcl为人体服装面积系数；hc为对流换热系数，W/(m2·K)。
周围环境平均辐射温度公式为
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式中：Fp-i为该表面对其他表面的辐射角系数；ti为其他表面的温度。可以看出，环境的辐射温度对热舒适度影响很大。
2.2 动态仿真边界条件对实体模型等效简化处理后，按照实际尺寸建立双通道飞机客舱模型。图 6为仿真模型的截面图，客舱乘客编号规则如下：每排从左到右排序，分别为1~10号乘客，即1号乘客为背阴面窗户乘客，10号乘客为向阳面靠窗户乘客。
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| 图 6 乘客位置分布 Fig. 6 Passenger location distribution |
同时，分别选取乘客脚部、胸部和头部3个位置计算仿真的PMV值。测点具体位置如图 7所示。
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| 图 7 乘客周围测点分布 Fig. 7 Layout of measuring points around passenger |
各壁面的压力温度等条件是根据实际测量数据作为仿真边界条件输入。本文根据夏季北京飞往昆明的HU7211航班测量数据，利用MATLAB软件进行边界条件的函数曲线拟合。
客舱压力的边界条件如图 8所示。两侧地板、侧壁和窗户的温度拟合曲线如图 9所示。
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| 图 8 客舱压力边界条件 Fig. 8 Cabin pressure boundary conditions |
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| 图 9 两侧温度边界条件拟合曲线 Fig. 9 Fitting curves of temperature boundary conditions of two sides |
根据适航标准和通风卫生标准的规定，民机客舱内的新风量为每人0.25 kg/min。本文按照50%的新风空气和50%的舱内再循环空气组成，得出最终送风量为每人0.5 kg/min，按此边界条件设置送风口边界条件。考虑到3 h左右的航班客舱湿度较低，送风空气的湿度设置为25%；向阳和背阴两侧采用统一的送风温度为17℃。
本文将乘客看成一个整体，计算乘客表面与其他各表面部分的辐射角系数，其他表面包括客舱的侧壁面、天花板、地板、前后表面、座椅表面及其他乘客表面。物理模型如图 10所示。共计算了2个典型位置乘客的辐射角系数，结果如表 3和表 4所示。其中，乘客1为右侧靠窗乘客，乘客2为右侧过道乘客。各乘客对周围环境辐射面角系数之和为1。
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| 图 10 仿真的物理模型 Fig. 10 Simulation of physical model |
| 表面p | 表面i | 辐射类型 | 辐射角系数Fp-i |
| 乘客1 | 座舱顶壁面 | 表面至表面 | 0.20 |
| 乘客1 | 座舱地板 | 表面至表面 | 0.13 |
| 乘客1 | 座舱右侧面 | 表面至表面 | 0.29 |
| 乘客1 | 座舱右窗户 | 表面至表面 | 0.14 |
| 乘客1 | 座椅 | 表面至表面 | 0.14 |
| 乘客1 | 其他乘客 | 表面至表面 | 0.10 |
| 表面p | 表面i | 辐射类型 | 辐射角系数Fp-i |
| 乘客2 | 座舱顶壁面 | 表面至表面 | 0.30 |
| 乘客2 | 座舱地板 | 表面至表面 | 0.18 |
| 乘客2 | 座舱右侧面 | 表面至表面 | 0.08 |
| 乘客2 | 座舱左壁面 | 表面至表面 | 0.08 |
| 乘客2 | 座舱右窗户 | 表面至表面 | 0.02 |
| 乘客2 | 座舱左窗户 | 表面至表面 | 0.03 |
| 乘客2 | 座椅 | 表面至表面 | 0.20 |
| 乘客2 | 其他乘客 | 表面至表面 | 0.11 |
人体作为35℃的恒温源，透射率为0，发射率为0.97，反射率由客舱空间布局、人体透射率和发射率根据模型自动计算得出。
2.3 仿真结果分析在构建乘客与实际客舱模型等效的仿真物理模型后，输入实际测量数据拟合出温度和压力等边界条件，在CFD中仿真计算出温度场的分布情况及乘客周围热舒适度PMV值。
飞机在平飞阶段舱内温度稳定后的仿真截图如图 11所示。结果显示，向阳侧乘客周围的空气温度高于背阴侧乘客周围的空气温度，这与实际测量结果大致相符合。但是仿真结果的温差并没有实际测量的温差大，主要原因是仿真过程中忽略了很多实际的辐射热量和客舱内部空气的流场分布情况，而且温度云图显示的是客舱内部空气的温度场分布，并非窗户、侧壁和地板的温度，因此差异性没有实际测量结果明显。
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| 图 11 客舱内部温度场仿真结果 Fig. 11 Simulation results of temperature field in cabin |
飞机在平飞阶段舱内PMV稳定后的仿真截图如图 12所示。结果显示，向阳侧乘客周围的PMV值明显高于背阴侧，说明在相同的送风温度下，即使采用遮光板向阳侧窗户周围乘客也会有较热的感觉。
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| 图 12 客舱内部PMV仿真结果 Fig. 12 Simulation results of PMV in cabin |
根据国际通用的PMV计算模式，利用CFD软件计算得出整个飞行过程中乘客头部和胸部周围热舒适度在向阳和背阴两侧的平均差值，如表 5和表 6所示。分析表 5和表 6数据可以看出，采用遮光板以后，向阳和背阴两侧乘客的热舒适度PMV仍然存在差异，特别是两侧靠近窗户周围的乘客，PMV值最高相差0.64，而人体在热舒适环境下PMV的推荐值为-0.5~+0.5，所以两侧乘客肯定会产生不同的冷热感觉，导致乘客出行过程中舒适度下降。
| 左右测点 | PMV差值 |
| 10-1 | 0.64 |
| 9-2 | 0.56 |
| 8-3 | 0.40 |
| 7-4 | 0.1 |
| 6-5 | 0.02 |
| 左右测点 | PMV差值 |
| 10-1 | 0.54 |
| 9-2 | 0.54 |
| 8-3 | 0.44 |
| 7-4 | 0.11 |
| 6-5 | 0.04 |
3 结论
本文通过采集分析实际航班飞行过程中的温度实时数据，结合CFD动态仿真研究，得出如下结论：
1) 白天的太阳辐射对于飞机客舱内部地板和远离窗户的侧壁温度影响较小，温差不超过2℃；但是对于窗户周围的温度影响较大，向阳和背阴两侧窗户周围最高温差可达20℃。
2) 通过CFD动态仿真研究发现，现有的送风和控温方式下，采用遮光板时可以将客舱内部的空气温度调节的相对均匀合理，空气温度场分布向阳和背阴两侧没有存在较大的差异性。
3) 仿真结果显示，民机窗户的温度在太阳辐射影响下会急剧升高，在较高的辐射温度影响下，向阳侧乘客的PMV值明显高与背阴侧的PMV值，因此需要进一步采取新的措施，降低窗户的辐射温度，减小太阳辐射对民机客舱向阳侧窗户周围的热舒适性影响。
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