引言目前，商用飞机均采用混合通风系统[1]。由于乘员密度较高，对飞机客舱的气流组织进行研究尤为重要。实验测量和数值模拟是研究机舱内部流场的主要方法。ZHANG[2]等搭建7排全尺寸波音737-200实验平台，通过快速傅里叶变换(FFT)得到了速度波动的湍流动能谱，研究发现，在混合通风系统作用下，机舱横截面内会形成左右两个大尺度环流，揭示了热羽流对环流的影响作用。YANG[3]等通过粒子图像测速法(PIV)对7排机舱模型进行瞬时流场测定，同时辅助数值模拟分析，结果表明，即便机舱两侧送风边界条件一致，左右两侧的射流也会周期性地交替占据主导地位，致使机舱横截面内流场发生摆动。LIU[4]等在一架真实客机MD-82的头等舱进行实验，对比验证RNG k-ε、LES和DES共3种湍流模型，发现LES模型在计算精度和揭示流场特性方面都有较好的表现。在一次完整的飞行过程中民航客机需依次历经起飞、爬升、巡航、下降和着陆多个过程[5]，全程需借助迎角保证足够的升力。由于实验操作存在困难[6]，迎角相关的机舱流场领域研究较少。LIN[7]等在一个倾斜的矩形管道中进行混合对流的实验和数值模拟研究，热源位于管道底部，研究发现，管道纵向尺度产生了多个涡结构和气流的逆向流动。因此，迎角是飞机客舱内部流场的影响因素，在机舱纵向尺度上可能导致纵向气流的产生。虽然HOCKING[8]提出机舱内的纵向气流有限，乘客暴露风险较低，除非飞行时间超过8 h并且距离患病乘客2排以内。但LI[9]等在MD-82头等舱的3排座椅中测量速度数据，验证了其CFD仿真模拟的可靠性，并指出机舱内部不同位置的排风口压差不一致是纵向气流的主要成因。为了探究迎角对机舱纵向流场的影响，采用缩比的形式建立28排机舱模型。主要工况为爬升（迎角15°）和巡航（迎角8°）两个飞行阶段。通过实验测量迎角作用下的纵向速度场，并通过数值模拟进行分析，湍流模型采用LES。通过CO2示踪气体法验证纵向气流流动特征。1研究方法1.1实验平台缩比搭建的28排机舱实验平台如图1所示。左右侧壁均设有送、回风口，尺寸分别为3.000 0 m×0.002 5 m、3.000 m×0.005 m，送风温度为292.15 K。空气由两侧壁面上方位置送入机舱内部，由两侧底部回风口排出舱室。研究采用简化人体和座椅，表明覆盖镍铬电阻丝模拟人员散热。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F001图1缩比搭建的28排机舱实验平台机舱模型的长、宽、高分别为3.000 m、0.325 m和0.215 m。ASHRAE标准推荐机舱环境中人均送风量为9.4 L/s，得出缩比前的总送风量为1 579.2 L/s，缩比后总送风量为5.0 L/s。单人静坐发热量为95 W，原模型总发热量为15 960 W，缩比后总发热量为50.5 W。1.2实验方法测点分布如图2所示。速度测点分布在A线段(x=-0.09 m, y=0.13 m)。测点纵向分布在第1至第20排乘客附近(z=0.915~2.885 m)，相邻测点间隔3 cm。CFD模拟数据的验证数据选取线段A，分别为L1 (z=2.615~2.885 m)，L2 (z=2.345~2.585 m)和L3 (z=1.905~2.265 m)。图2测点分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F2a1（a）速度测点分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F2a2（b）CO2测点分布CO2示踪气体释放源为第十三排左列中间乘客的口部位置，为直径4 mm的圆形出口。实验为无动量释放，模拟0.1 m/s的呼吸速度。示踪气体实验共计两组，每组在释放源前后排各设置1个测点，同时测量，并保证其与释放源距离相等。测点的位置均为靠近中间走道侧，为乘客呼吸区。第1组实验两个测点分别位于第11排和第15排，分别命名点A和点B；第二组分别位于第10排和第16排，命名为点C和点D。1.3模拟方案1.3.1网格划分本研究采用结构化网格，对450万、650万和900万这3种数量的网格进行独立性检验，如图3所示。综合其计算表现结果和计算成本，最终采取650万网格数进行后续研究。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F003图3网格独立性检验1.3.2求解方案湍流模型为大涡模拟(LES)，瞬态求解。在机舱环境中，人体表面热损失有将近30%由热辐射造成[10]。模拟时开启表面辐射换热模型(S2S)。压力、速度耦合方案为SIMPLE算法，二阶迎风格式。1.3.3边界条件送风口：速度入口；速度为0.33 m/s；送风温度为292.15 K。回风口：压力出口。污染物释放口：速度入口；速度为0.1 m/s。暖体假人：发热总量50.50 W，热流密度41.75 W/m2。壁面：定温292.15 K。2结果分析2.1速度分布实验速度与CFD速度对比如图4所示。整体变化趋势和数据吻合度表现均较好。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F004图4实验速度与CFD速度对比为了进一步研究迎角对流场的作用，选定纵截面x=-0.09 m，模拟运行120 s，不同迎角下的纵向速度及流线分布如图5所示。送风射流在柯恩达效应[11]作用下贴附行李架底部壁面流动，射流碰撞耦合迎角作用使截面内的顶部速度值较大。乘客热羽流的卷吸作用使其周围环境速度扰动较大，导致速度相对较小。在热浮力的驱动下，乘客胸前位置产生向上的气流，并产生了多个逆时针的气流循环。对比两种迎角作用下的流场分布，迎角8°时乘客附近涡流结构较多；迎角变大后，涡流结构有所减弱，气流在纵向方向上的向前运动趋势增强。在8°和15°迎角下，机舱顶部均产生了向前的纵向气流。乘客周围的气流在热浮力作用下得到强化，迎角使气流向前的纵向运动更加强烈。纵向气流增加了前部乘客的污染物暴露风险，值得引起重视。图5不同迎角下的纵向速度及流线分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F5a1（a）迎角8°10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F5a2（b）迎角15°2.2CO2示踪气体测量为了对比前后排感染风险差异，进一步验证纵向气流特征，采取示踪气体法模拟污染物传播。两组实验数据的对比可反映污染物在纵向方向上传播的距离特点，由于实验环境中本身存在CO2气体，需将每组实验间的背景浓度差异控制到最小，两组实验间的最大背景浓度差异为14×10-6。每组测量时长为3.5 min。两组的CO2浓度测量结果如图6所示。图6两组的CO2浓度测量结果10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F6a1（a）11排（A）+15排（B）10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.009.F6a2（b）10排（C）+16排（D）每组实验的两个测点采用两台检测设备同时测量。位于释放源后部的测点浓度值变化均较为微弱，甚至浓度有所降低前部测点浓度值在第60 s附近均有较为明显的持续上升趋势，可判断污染物的输送方向由后向前。对比测点A和测点C的浓度变化，在相同时间内测点A的浓度均高于测点C，污染物在向前传播的过程中浓度随距离衰减。结果证实机舱中存在由后向前运动的纵向气流。3结语为了探究迎角作用下的机舱纵向流动特征，采用缩比的28排机舱模型。针对民航客机爬升（迎角15°）和巡航（迎角8°）两个飞行阶段，进行实验和CFD模拟研究。结论如下：受两侧的送风射流碰撞影响及耦合迎角作用，机舱顶部的气流速度较大。迎角作用使乘客热浮力在竖直方向的发展较为充分，产生了向前的纵向气流。较大的迎角强化了纵向气流，使其向前运动的趋势更为显著。受纵向气流影响，机舱中污染物的输送方向从释放源位置向前，且浓度随向前传播的距离而衰减。