加齒調控個性化風口流場多尺度湍渦結構的實驗研究

崔旭佳, 唐湛棋,2, 姜 楠,2,*, 劉俊杰

(1. 天津大學 機械工程學院力學系, 天津 300354; 2. 天津市現代工程力學重點實驗室, 天津 300354; 3. 天津大學 環(huán)境科學與工程學院, 天津 300354)

0 引 言

客機座艙環(huán)控系統(tǒng)是大型客機的重要組成部分，是21世紀國內外大飛機研究[1-6]的重點。創(chuàng)造高效、節(jié)能、安全、健康、舒適的座艙環(huán)境,是體現我國大飛機在國際競爭中優(yōu)勢的重要保證，也是保障乘客和機組人員安全、健康和舒適并通過適航認證的前提。通過組織合理的氣流來改善座艙環(huán)境安全性、健康性、舒適性是當前國際研究的前沿，座艙中的空氣流動是整個座艙環(huán)境形成和控制的重要基礎。其中風口是艙內氣流組織的動力源頭，它決定了艙內氣流的流動特征，風口流場的優(yōu)化設計是研制新型座艙環(huán)控系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)之一。個性化風口是座艙環(huán)控系統(tǒng)中重要的送風單元，其主要作用為快速通風、換熱，乘客可以根據自己實時感受進行自主調節(jié)，以達到自身的最佳舒適程度，但現有個性化送風常引起乘客頭部的強烈集中吹風感，而且浪費氣源，加重發(fā)動機引氣負擔，不利于節(jié)能減排，因此開展個性化風口流場優(yōu)化調控的研究具有重要的應用價值。

為了降低乘客對個性化送風的頭部集中吹風感，改善個性化送風流場多尺度湍渦結構成分，設計了帶有不同尺寸加齒結構的噴嘴，加裝在個性化風口，通過加齒根部與圓弧邊緣角區(qū)生成的流向渦擾動[7-8]，調控原有流場中的多尺度湍渦成分，以達到降低吹風感、提高乘客舒適度的目的。

1 實驗裝置與測量技術

實驗是在飛機客艙環(huán)境模型實驗艙(見圖1)中完成的,該實驗艙是基于真實MD-82客艙仿建的一個艙體。環(huán)境艙的主要優(yōu)點是能夠阻隔實驗過程中外界氣流和聲波擾動對實驗的干擾，模型艙壁材料采用雙層真空鋼化玻璃，起到良好的絕熱和隔音效果，同時便于實驗者從外部進行觀測調控實驗。

圖1 環(huán)境模型艙尺寸示意圖

實驗中將加裝不同噴嘴模型的個性化風口固定在環(huán)境艙模型頂板，將熱線探針固定在計算機控制步進電機三維坐標架上，使得探針處于風口的中心正下方。其中三維自動坐標架用R232通訊接口連接機艙外部電腦，實現自動控制，避免實驗過程中人員進出環(huán)境艙帶來的干擾。個性化風口模型尺寸如圖2所示，風口流場是標準環(huán)形射流，環(huán)形的外徑D0=12.6mm，內徑D1=9.6mm，最大開度的圓環(huán)寬度1.5mm。采用無油氣體壓縮機和穩(wěn)壓罐連續(xù)供氣，每小時的通氣量為3.4m3。基于圓環(huán)射流出口最大速度Um與圓環(huán)寬度得到的射流Re數為2522。

圖2 個性化風口尺寸示意圖

為方便實驗，采用可拆卸加齒噴嘴結構，其尺寸設計大小恰好可以裝在個性化風口的末端，4種不同長度的加齒結構尖齒的頂角保持一致，均為30°，加齒結構的尺寸如圖3所示。采用IFA300恒溫式熱線風速儀，以高于最小湍流時間尺度對應的時間分辨率，對裝有5、6、8和12mm齒間距的加齒個性化風口射流流場的軸向和具有明顯效果的5mm加齒結構的雙徑向(加齒結構的截面成軸對稱，但因為尖齒的存在，需要測量經過尖齒的徑向以及無尖齒的徑向，所以為雙徑向)的瞬時速度進行實驗測量和數據采集。軸向采集了0～186.5mm之間的68個空間點，每個徑向采集了7個不同軸向截面位置。因為射流邊界線具有線性擴展的特性，每個截面測量的點數不一樣，而且點與點之間的間隔也不均勻，故采取上述采集點方式設置以達到實驗測量數據效果最佳。

圖3 4種加齒結構的尺寸示意圖

實驗測量采用美國TSI公司IFA-300恒溫式熱線風速儀，它能夠連續(xù)地感受流動速度并自動地調整動態(tài)響應，實時地實現最佳化頻率響應，是目前唯一能夠以湍流最小時間尺度(Kolmogorov時間尺度)的分辨率測量湍流的測速儀器[9]。實驗中每個空間測點的采樣頻率為100 000Hz，每個時間序列樣本數據量為4 194 304，測量時間為41.94s。實驗中所采用的探針為TSI 1260A-T1.5迷你型單絲熱線探針，其敏感原件為直徑5μm、長度1.5mm的鎢絲，探針在測量前使用1151A型熱線探針校準器進行了標定。

2 實驗結果分析

2.1 平均速度分布

軸向坐標定義如圖2所示。在z軸上非等分地布置68個點，作為采樣點。由于個性化風口中心線“子彈頭”形導流體的存在，軸向的起測點位于z軸的6.5mm處，以步長0.5mm測量11點，然后以步長1mm測量20點，2mm步長測量10點，最后以5mm步長測量到186.5mm處，相當于從距離風口0.5D0到14D0。

因為環(huán)形射流中心線“子彈頭”形導流體的存在，使得個性化風口環(huán)形噴出氣流在z軸上匯聚，形成一個速度最大點，稱之為再附著點[1]。圖4是軸向平均速度剖面圖并標注出了誤差值(±1%)，從圖4中可以看出速度最大點在z軸上的位置，并沒有因為加齒結構的存在受到影響，各個不同尺寸加齒結構風口的再附點位置都位于z軸的16.5mm處。而且加齒結構均使得個性化風口的平均速度沿軸向衰減加快，其中5mm的加齒結構平均速度衰減最快，平均速度衰減率提高了13.54%。

圖4 有無加齒個性化風口射流中心線平均速度剖面

針對軸向平均衰減最快的5mm加齒結構，又對沿徑向測量的瞬時速度數據進行進一步分析。由于加齒結構具有雙徑向，徑向坐標定義如圖3所示。實驗分別測量了7個不同軸向位置的x-z截面和y-z截面空間點的瞬時速度信號。圖5是將平均速度U和徑向坐標r用U/Um,r/r1/2無量綱化(一種經典的射流徑向速度平均方法[10])得到的平均速度剖面。其中Um是軸線上的平均流速，r1/2為半值寬(加齒徑向x和不加齒徑向y分別取相應徑向半值寬)。圖5(a)(圖中黑色代表x徑向，紅色代表y徑向，不同形狀代表不同的z軸向位置)可以證明加齒射流在充分發(fā)展區(qū)中的平均速度剖面的相似性和不同斷面流速分布的相似性。圖5(b)將軸對稱型衰減區(qū)中的同一z坐標的加齒徑向和不加齒徑向進行對比，發(fā)現加齒徑向的無量綱平均速度沿徑向衰減顯著加快，說明由于齒與圓弧夾角產生的反向旋轉流向小渦的擾動，加速了二維圓環(huán)射流的不穩(wěn)定性破碎及向三維的演化過程[7-8]，增強了射流在充分發(fā)展區(qū)與周圍靜止流體的動量、能量、質量傳遞和交換，流場卷吸摻混周圍靜止流體的能力增強，加快了射流平均速度沿加齒徑向的衰減。

圖5 有無加齒個性化風口射流徑向無量綱平均速度剖面

2.2 湍流強度分布

個性化風口的主要作用是乘客用來進行自我調節(jié)送風以得到更舒適的體感，Fanger等[11-12]從相反角度對乘客的不舒適度進行過定義：

PD%=0.00165(28-ta)1.25(νf-0.05)(34-t)+

0.0214Tu(νf-0.05)(34-t)

(1)

式中：PD%表示乘客對氣流的不滿意度；ta表示周圍環(huán)境溫度；t表示當地環(huán)境溫度；ν表示當地平均速度；Tu表示湍流強度。可以看出，湍流強度Tu在公式(1)中起主要作用。

圖6是沿軸向湍流強度的發(fā)展演化對比圖，圖中縱坐標表示的是用U0無量綱化的湍流強度，其中U0是環(huán)形出風口的斷面平均速度，它可以根據出口截面的流量和截面積計算得到。從圖中可以明顯看出5mm的加齒結構在出口到再附點階段，由于齒與圓弧夾角產生的反向旋轉流向小渦的擾動影響，加齒風口射流的湍流度大于不加齒風口射流的湍流度，使湍流發(fā)展加快，而在再附點下游遠場區(qū)(即靠近乘客區(qū)域)的湍流度比不加齒風口的湍流度小。根據公式(1)，湍流度越大，乘客的不舒適感越強烈，所以5mm齒間距的加齒結構風口可以降低乘客頭部的區(qū)域的湍流度，從而降低乘客的不舒適感。

圖6 有無加齒個性化風口射流中心線湍流強度剖面

2.3 多尺度湍渦成分的子波分析

子波分析[13-14]是近幾年新發(fā)展起來的一種數字信號分析方法，通過時間序列信號與一個被稱為子波的解析函數進行卷積，將信號在時域與頻域空間同時進行分解。姜楠等[15-17]提出了用子波分析的能量最大準則檢測壁湍流相干結構猝發(fā)事件的方法。設一維信號在子波函數下的子波分析定義為：

(2)

其中,子波函數族ψa,b(t)是由子波母函數ψ(t)經過平移(參數b)和伸縮(參數a)變換而來：

(3)

根據子波系數Wu(a,b),信號u(t)的能量可以按照尺度進行分解：

(4)

利用子波分析對5mm加齒結構的軸向13.13D0處的湍流信號進行分解，得到不同徑向位置分尺度能量比例隨尺度分布E(a)云圖(見圖7)。從圖7可以看出，5mm加齒個性化風口在40mm的徑向點周圍能量分布與不加齒相同位置的分尺度能量分布存在明顯差異。加齒結構使得最大能量尺度附近含能湍流結構的能量減少，從而降低了湍流強度，減小了強烈的吹風感，提高了舒適性。

圖7 不加齒結構徑向(x=13.13D0，r=40mm)與加齒結構x和y徑向(z=13.13D0，y=40mm)能量隨尺度分布對比

進一步對軸向位置為13.13D0，徑向位置為40mm處空間測點的瞬時速度信號的子波系數等值云圖進行分析，如圖8(a)、(b)和(c)所示?？梢钥闯黾育X所在徑向的湍渦結構尺度明顯更加豐富，大尺度湍渦向小尺度湍渦的級串過程加快。而不加齒的風口射流在該位置存在穩(wěn)定的大尺度結構，湍渦的能量級串發(fā)展緩慢，小尺度湍渦結構比較少，使乘客感到明顯的吹風感和不舒適。

(a) 加齒噴嘴發(fā)展段加齒徑向(z=13.13D0，x=40mm)子波系數隨時間和尺度的分布云圖

(b) 加齒噴嘴發(fā)展段不加齒徑向(z=13.13D0，y=40mm)子波系數隨尺度與時間分布云圖

(c) 不加齒噴嘴徑向(x=13.13D0，r=40mm)子波系數隨尺度與時間分布云圖

3 結 論

本文提出對個性化風口進行邊緣加齒優(yōu)化設計，調控風口流場中不同尺度的湍渦成分，降低吹風感，從而獲得使人體更為舒適的氣流流場。

通過用高時間分辨率熱線風速儀精細測量加裝不同尺寸加齒噴嘴的風口流場，采用子波分析的方法對流場多尺度湍渦成分進行分析，對比不同尺寸大小的加齒噴嘴對個性化風口流場多尺度湍渦成分的調控效果，得出齒尖間距離為5mm時，個性化風口的送風使人體更舒適。

個性化風口圓環(huán)射流經過加齒調控，齒與圓弧夾角產生的反向旋轉流向小渦擾動，增強了與周圍靜止流體的動量、能量、質量交換，降低了大尺度湍流結構的強度，從而降低了吹風感，提高了流場的舒適性。

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