2018, Vol. 35
2. 广东工业大学 建筑与城规学院，广东 广州 510090
2. School of Construction and Urban Plan, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China
旅客登机桥是用以连接飞机和候机楼的一个封闭通道，为旅客提供全天候的上、下飞机服务[1]. 正常情况下，登机桥每分钟能登机9~20名乘客[2]，但是，如果乘客滞留在登机桥中，特别是在误机或者候乘组织混乱的情况下，乘客有可能阻塞在登机桥上超过数分钟甚至更长的时间. 对于这个狭长的过渡空间，人们希望它能够带来更好的登机体验与愉悦心情. 对登机桥的内部环境进行控制与优化，提高乘客的舒适性，是提高乘客全航程舒适甚至提高整个民航业服务质量的重要环节之一[3-4]. 中国是世界上最大的登机桥生产国，本课题来自于登机桥制造商卓××公司的实际需求，根据该公司的反馈，主要是登机桥送风气流不均和热环境不佳，因此委托作者所在的课题组开展改善登机桥的热环境研究.
目前，国内外有关登机桥的室内热环境的分析与环境控制方案的研究方面比较缺乏. 文献分析发现，几乎很难检索到国内外有关登机桥流场分析的相关文献[5]，人们更多地把研究重点放在了对于登机管理、候机环境或者全程空间的舒适性分析上，而对登机桥这样的过渡空间并没有引起足够的重视与关注[6-7]. 国际上有将登机桥的热舒适问题归纳于候机楼的热舒适问题，并用过渡空间的热舒适指标进行分析[8].
利用Computational Fluid Dynamics (CFD)技术来研究流场分布和优化控制，是研究狭长型空间环境的普遍做法[9-10]. CFD方法应用于狭长空间内部流场模拟仿真，还具有独特的优越性，例如，能在花费较少时间和成本的前提下，预测狭长空间室内的流场和温度场的分布，可以得到较为准确的结果. CFD技术还具有处理变参数研究和热舒适性预测的能力. 从国内外研究现状来看，结合热舒适平均评价指标和CFD数值模拟的研究方法，既节约实验成本和时间，也为空间空调系统的设计和优化提供了重要依据[11-14].
本文通过采用CFD技术，进行物理和数学建模. 然后对登机桥桥厢进行环境控制与空调优化的对比分析，提高登机桥这样的过渡空间热舒适条件. 提出了一种新的登机桥送风方式，改善了登机桥这样的过渡空间的热舒适性问题，对于移动登机桥空调系统的设计选型、环境控制与空调的设计，具有一定的指导作用.
1 登机桥的结构特点与过渡空间的热舒适问题登机桥的结构型式多种多样，按结构型式分有:轮式、柱座式和其他特殊型式，其中轮式又分为旋转式和旋转伸缩式;按侧壁形式又可分为金属侧壁式和玻璃侧壁式[15].其中旋转伸缩式金属或玻璃侧壁式以其移动的灵活性，高效率等特性广泛地受到国内外机场的青睐. 图1即为我国最常见的铝合金旋转式登机桥.
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图 1 旋转式铝合金登机桥桥厢图 Figure 1 Photo of a rotary style aluminum alloy boarding bridge |
该登机桥的规格和几何参数如下：额定容客量为27人；登机桥尺寸28 m×2.2 m×2.6 m （长×宽×高，但在模拟模型中被模拟为2.4 m高，有细微差别）；厢体传热系数为<1.16 W/(m2·℃).
然而，正是由于通道的可旋转和可伸缩性，对其空调的设计和安装带来了很大的困难. 文献[15]指出，登机桥主要的热环境问题是温度分布不均与冷凝水排泄管道不好布置. 另外，根据课题委托方给我们的要求，登机桥热环境的主要问题是送风不均、管路不好布置. 这是因为登机桥本身狭窄、狭长，又是移动式的物理空间，受送风管尺寸限制（送风管截面不能太大），要维持登机桥的热环境和所需要的冷量，必须使用较大的送风速度或较低的送风温度. 否则，对于中央空调的末端和风管布置是非常困难的. 另外，如果登机桥内不使用送风管，仅将送风口布置在登机桥的两端也是不可行的，因为登机桥狭长，中间区域冷风无法到达. 同样，如果不采用中央空调，那么在登机桥内又是不容易布置分体空调.
总之，在登机桥这样的过渡空间里，空间的大小受到限制，而人流的密集程度也许是稳态空间的几倍，并且服务时间也被压缩在较短的时间内. 这些要素与特点使得过渡空间的热环境问题变得更加复杂，并对过渡空间环境的热舒适性问题提出了挑战.
2 研究方法 2.1 物理模型登机桥的形状和内部结构较复杂，在数值模拟过程中为克服建立物理模型和划分网格的困难，对登机桥内部结构进行简化，登机桥模型的最顶端为空调通风系统的送风口平面，略去送风口平面上部空间结构和除去登机桥内扶手以及每截桥厢之间的接合缝隙之后，其内部结构的几何参数为：桥厢净长28 000 mm，净宽2 200 mm，净高2 400 mm. 考虑到乘客在登机过程中，托行的行李物品形状不一，在数值模拟计算时进行简化，不考虑行李物品的存在. 登机桥桥厢内的空调系统的送风方式为顶部送风（条缝式送风和室内机送风）；回风方式为两侧回风，即采用登机桥上端的两侧作为回风口. 其正常工作状态下桥厢简化物理模型如图2~图4所示.
2.2 数学模型与边界条件本文采用Navier-Stokes方程，引入雷诺平均模拟法，将Navier-Stoke方程对时间进行平均后，即常见的k-ε模型[16-18]. 在不考虑登机桥移动就位阶段的前提下，应用涡粘模型将桥厢内的空气流动作为一般室内的气流组织模型进行模拟研究，现做以下假设：
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图 2 登机桥轿厢仰视图 mm Figure 2 Bottom view of boarding bridge |
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图 3 登机桥室内机送风口仰视图 mm Figure 3 Bottom view of outlet indoor of boarding bridge |
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图 4 送风口x，y断面截取图 Figure 4 Intercept section of air supply outlet x and y axial |
(1) 登机桥桥厢气密性好，气幕帘挡风效果好，忽略漏风因素；(2) 不考虑桥厢内固体壁面间的热辐射，空气作为辐射透明介质处理；(3) 桥厢内空气的流动看作稳态流动，且流动符合气体状态方程的等压流动；(4) 桥厢内的空气为不可压缩气体，且密度符合波兴涅克(Boussineq)假设；(5) 强迫对流和自然对流均存在紊流流动.
在此假设和简化的基础上，建立含连续性方程、动量方程、紊流动能方程（k方程）、紊流动能耗散方程（ε方程）、能量方程等在内的一套封闭的方程组. 模拟软件使用Fluent 14.0.
不失一般性且为减小复杂性，选取或简化以下边界条件：
(1) 速度入口边界条件：登机桥规格尺寸为28 m×2.2 m×2.4 m（长×宽×高），铝合金板型登机桥桥厢，送风方式为模拟登机桥顶部4个矩形风口送风口送风（见图4），并以此为计算速度入口边界；已知相应送风方式下的送风速度和送风温度.
(2) Outflow边界条件：回风方式为两端回风，即采用登机桥两端的上部作为回风口. 假定流量出口是完全发展，即只考虑压力，不考虑重力、黏滞力等其他力.
(3) 热源：登机桥桥厢内的热源主要为乘客散热和登机桥围护结构传热. 据文献[18]可知，人的负荷取75 W/m2，按正常情况下27人滞留在登机桥选取. 外界气候选取广州市夏季标准工况，桥厢的综合传热系数k=1.16 W/m2，桥厢外环境温度34.2 ℃，桥厢内设计温度28 ℃.
2.3 网格划分网格质量对CFD计算精度和计算效率及收敛性有重要影响. 对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时且极易出错，生成网格所需要的时间常常大于实际CFD计算的时间. 因此，在划分网格时应该把网格细密的程度直接与物理量在计算区域内的变化进行统一考虑. 同时，还应根据计算机硬件条件，对模型的网格数量进行范围控制[19-20].
本文研究的是28 m×2.2 m×2.4 m（长×宽×高）铝合金板型登机桥桥厢，其计算区域结构复杂，但比较规则，同时还要对不同送风方式、送风参数以及不同工况下桥厢内部进行数值模拟计算. 因此，本文选用具有良好灵活性的非结构化网格(Hex unstructured)对计算区域进行网格划分，并对网格质量进行了管理与控制，具体如下：(1) 对送风口和回风口附近空气速度和温度梯度变化较大的地方进行网格局部加密. (2) 对乘客以及近壁面区域进行网格局部加密. (3) 在登机桥厢体中网格化中，简化每个网格单元的歪斜度（即skewness）和宽高比（即Aspect Ratio，长边与最短边长度之比）. (4) 保持登机桥厢体表面平整，即相邻的网格表面没有裂纹和不规则凸起. (5) 相邻网格单元大小（即Size Change）之比控制在2以内，歪斜度控制在0.4以内. 网格翘曲(Warpage)和伸展度(Stretch)均为0.15. 网格单元体积(Volume)不小于10–12，即划分网格时应避免出现负的体积.
3 结果与讨论登机桥正常工况下载员人数达到27人，根据民航规范的要求，登机桥桥厢内至少每人的新风量达到8 L/(s·人). 为此，本文提出一种新的登机桥热环境方式，即选择将其两端开口作为空调系统的回风口，同时为避免桥厢外的热空气与桥厢内冷空气混合，在桥厢两端的顶部设置空气幕向下送风，空气幕的气流速度为9.5 m/s. 为保证对登机桥桥厢进行均匀送风，在每段桥厢（登机桥桥厢总长28 m，共4段，每段7 m）设置1台室内机，全登机桥总共须设置4台室内机，室外机设置1台（共用）.
3.1 不同送风口断面处的气流组织分析沿着x轴方向对登机桥桥厢内的每一个不同的送风口定位分析，观察其在不同的位置处对空气速度场和温度场所造成的影响，从而给每一个送风口的送风量与尺寸大小做出因地制宜的调整与优化. 控制登机桥厢的送风方式为室内机送风，正常工况下送风温度依旧设定T=18 ℃，送风速度v=1 m/s. 截取的送风口断面如图4所示.
图4中，送风管表面内贴铝箔纸的保温棉，送风管的截面尺寸为(171 mm×171 mm)，出风口截面尺寸为670 mm×90 mm)，各风口尺寸均一致.
沿x=3 500 mm方向各送风口断面处气流组织分布云图5所示. 其中图5(a)为温度分布，图5(b)为速度分布.
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图 5 距x=3 500 mm处断面气流温度与速度云图 Figure 5 Airflow velocity and temperature cloud chart at x=3 500 mm cross section profile |
沿x=10 500 mm方向各送风口断面处气流组织分布云图如图6所示. 其中图6(a)为温度分布，图6(b)为速度分布.
对图5和图6中x断面气流组织云图进行比较分析可得：送风口与回风口的距离越近（即x=3 500 mm处，因为回风口在两端），送风口断面处的垂直向下速度衰减就越快，但是会在接近空气幕底部的地方分开成高速平行气流，原因可能与空气幕的快速射流运动形成的低压区有关. 相反，处于桥厢中部的第2个送风口与回风口净距离达10.5 m，受到回风口干扰较小，送风口的风速衰减缓慢，遵从中间向两边减速的规律，并且在送风口左右两侧形成小型旋涡. 位于桥厢中部送风口周围空气温度衰减较慢，呈现出由中心向四周衰减规律，而靠近回风口的第1个送风口其周围空气温度衰减较快，大部分区域基本稳定在25 ℃.
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图 6 距x=10 500 mm处断面气流温度与速度云图 Figure 6 Airflow velocity and temperature cloud chart at x=10 500 mm cross section profile |
为了有效带走中部聚集的热量，须提高桥厢中部空气的流动性. 控制空气流动性的有效措施之一就是改变送风口的送风速度，为此设计不同送风速度下桥厢内空气气流组织的分布情况，通过分析模拟计算结果来获得不同送风速度对空气气流组织的影响. 送风温度T=18 ℃不变，但选用不同送风速度(1 m/s、1.5 m/s、2 m/s)来进行对比分析（如图7~图9所示）.
比较3组数据，可知增加桥厢中部空气的气流速度可以增强中部空气的流动性，进而有效地带走多余的热量. 当桥厢中部空气速度增加到1.5 m/s时，近壁面处的空气流速度达到0.2 m/s，周围空气的速度梯度变化较小，温度流场变化缓慢；当桥厢中部空气速度增加到2.0 m/s时，近壁面处的空气流速度达到0.5 m/s之间，周围空气的速度梯度变化较大，温度流场变化剧烈. 当桥厢中部空气速度增加到2.0 m/s时，乘客额头处（高约1.7 m处）的空气温度达到19~20 ℃，不符合人体的舒适性要求与空调系统的设计标准. 因此，建议对于登机桥的空调送风速度的设计不要超过2.0 m/s.
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图 7 1 m/s风速，x=10 500 mm截面处气流温度与速度图 Figure 7 Temperature and velocity profile at x=10 500 mm cross section 1 m/s wind velocity |
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图 8 1.5 m/s风速，x=10 500 mm截面处气流温度与速度图 Figure 8 Temperature and velocity profile at x=10 500 mm cross section 1.5 m/s wind velocity |
为了有效带走中部聚集的热量，须提高桥厢中部空气的流动性，而控制空气流动性的措施除了改变送风口的送风速度之外，还可以改变送风口的送风温度. 为此，设计不同送风温度下桥厢内空气气流组织的分布情况，分析不同送风温度对空气气流组织的影响. 保持送风口1.0 m/s的风速不变，选取送风口18 ℃、19 ℃两个温度来进行对比分析（见图10~图11）.
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图 9 2 m/s风速，x=10 500 mm截面处气流温度与速度图 Figure 9 Temperature and velocity profile at x=10 500 mm cross section 2 m/s wind velocity |
由图10~图11可知，送风温度对于狭长空间内部空气的速度场的影响甚小. 降低桥厢内部空气送风温度无法有效地改变空气的流动性，但空气温度场的分层会增多，温度场因此而变得不够均匀. 适当地提高送风温度有利于节约能源，且有利于制造均匀的温度场分布.
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图 10 送风气流T=18 ℃，y=1 200 mm界面处气流组织温度与速度分布图 Figure 10 Airflow organization temperature and velocity distribution chart when T=18 ℃ and y=1 200 mm |
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图 11 送风气流T=19 ℃，y=1 200 mm界面处气流组织速度分布图 Figure 11 Airflow organization temperature and velocity distribution chart when T=19 ℃ and y=1 200 mm |
本文设计了一种新型的登机桥热环境，并对热环境进行了模拟分析，结论如下：
(1) 送风口的送风参数与送风方式是直接影响并作用于空气调节与环境控制的重要因素. 送风参数可以直接改变送风口附近小范围的空气温度与速度，而送风方式的选择可以更大范围地改变送风口周围的流场分布. 合理的送风方式不但可以使桥厢内部的空气温度场与速度场显得更加均匀、合理，尤其是改善近壁面的空气流动性方面.
(2) 提高送风速度可以增加桥厢内部空气的流动性，也会带走更多的热量，但是当速度提高到一定值时，空气的温度场梯度变化就会加剧，空气中的局部温升现象变得更加明显，热量滞留情况较多. 模拟结果表明，当送风温度为18 ℃、送风速度达到2 m/s时，乘客额头（约1.7 m）处的空气温度为19~20 ℃，此处温度并不符合人体的舒适性要求. 因此，如果送风温度为18 ℃时，建议登机桥的送风速度不超过2.0 m/s.
(3) 送风温度对于狭长型空间内部的速度场影响甚小. 降低桥厢内部送风温度无法有效地改变空气的流动性，反而使空气的温度场分层增多，温度场会变得不够均匀. 因此并不需要刻意降低送风温度. 相反，如果能满足登机桥内部的冷量要求，适当地提高送风温度还有利于节能.
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