环境调节能力 再创新高

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环境调节能力再创新高

出于对乘客舒适性与安全性的考虑，无论在飞行中还是在地面上，都需要对飞机机舱内外的极端温差与压差进行调节。将系统级仿真和详尽的热分析方法完美结合在一起，能够充分满足业界标准。

作者：沈雄，中国天津大学环境科学与工程学院天津室内空气环境质量控制重点实验室陈清焰，美国 West Lafayette 普渡大学机械工程教授

要切实实现舒适安全的商业航空旅行，需要面向各种极端的外部气候条件营造出宜人的客舱飞行环境。为了成功地设计出令乘客倍感舒适的客舱，整套飞机组件系统必须按照行业标准协同运作来控制舱内气候，进而保持飞机内部适当的气压与温度。
一架民航客机的环境控制系统 (ECS)由多个关键部分组成，包括热交换器、管线、压缩机、风机、涡轮机和水分离器等。在 3 万到 4 万英尺的巡航高度飞行时，飞机外部气温约为 -50 到 -60摄氏度 (-58 到 -76 华氏度 )，压力为0.3atm 到 0.2atm(4.2psi 到 2.9psi)。对于乘客的安全和舒适而言，这样的条件过于恶劣，必须在客舱内加以提高。为此多个系统必须高效协调工作。例如在双轮 ECS 系统中的热交换器内，冲压空气需要对来自发动机的高压热空气进行冷却。随后，压缩机进一步对空气加压，使其在高温下达到所需的压力。这股热空气在主热交换器中再度冷却。通过涡轮机后，气温已降至所需的冷却温度，而压力也提升到适合的水平。这个冷却流程会造成水蒸汽凝结，所以采用了水分离器去除冷凝水。最后，冷空气与经过滤的机舱回流空气混合，才能提供合适的温度和压力。随即，ECS 将来自混合歧管的空气分配到机舱中，带走机舱空气中乘客、空勤和设备产生的热量，并将机舱中的气压保持在相当于大约海拔 6,000 英尺的大气压。

为成功设计出令乘客舒适的客舱，系统必须分工合作，保持飞机内部适当的气压与温度。
系统仿真
为方便 ECS 设计人员工作，有必要首先理解这些组件之间的相互作用，然后再在实际飞行期间对上述组件进行测试。中国天津大学和美国普渡大学的研究人员致力于使用 ANSYS 的系统级和计算流体动力学（CFD）仿真工具来研究 ECS 的行为。这两所大学密切合作，通过使用 ANSYS 软件对交通运输领域中与人类健康、安全和舒适有关的问题开展研究。波音（Boeing）和中国商用飞机有限责任公司（COMAC）等飞机制造商同 ANSYS 一样，都是“座舱空气革新性环境”（CARE）联盟的成员。这两所大学的研究工作为 CARE 的目标提供了支持。
在整体系统层面，机舱的热环境受温度控制器调控，其中使用来自机舱的反馈信号可调节发动机引气的流速。该控制器内置比例 - 积分 - 微分（PID）逻辑，而研究团队则可使用 ANSYSSimplorer 中内建的 PID 模块将该逻辑实现到系统级模型中。在细节层面 , 该团队使用从激光跟踪系统获得的几何结构并采用 640 万个单元构成的网格，在ANSYS 学术研究 CFD（ANSYS Fluent）软件中为 MD-82 喷气飞机的头等舱创建了 3D 模型。
研究人员随后对 Simplorer 和 Fluent模型进行耦合，以便分析 ECS 对机舱热环境的瞬态影响。在耦合仿真过程中，Simplorer 对机舱供应空气温度的预测为详细的 CFD 机舱模型提供了边界条件。将机舱各个位置的 CFD 温度预测值与所需的温度设定点做比对，任何偏差都会引发温度控制器对发动机引气流速的调整。该流速构成 Simplorer ECS模型新的边界条件，同时，迭代继续进行，直至完成。

地面气候调节
但是，在为 ECS 建模之前，团队需要先在非飞行状态下测试气候控制系统，评估仿真的效果。第一步是分析地面空调车（GAC）系统。在此系统中，外部空气由一部机动车辆泵入停放在机场的飞机内。GAC 内置加热线圈、冷却旋管和离心式风机，能在寒冷季节为机舱供暖，在炎热季节为机舱降温。该团队遵循类似的流程在 Simplorer 中为 GA 构建了系统级模型，然后将其与MD-82 机舱的 CFD 模型进行耦合。
对于向控制流的 PID 模块发送数据的传感器，研究人员评估了其放置在不同位置产生的影响。研究的第一个温度反馈位置是向机舱内输送空气的 GAC出气管，第二个位置是机舱内的乘客呼吸高度。1 月份和 6 月份期间（外部温度分别为 –5 摄氏度 /23 华氏度和 35摄氏度 /95 华氏度），在天津 MD-82机舱测得的空气温度和速率数据与Simplorer GAC 系统模型以及精细的CFD 机舱模型作出的预测非常吻合。这些结果帮助团队认识到，让温度反馈传感器尽量靠近乘客座椅能为机舱内的不同高度提供更加均匀的温度分布。

飞行中的气候调节
在完成该仿真流程的研发和验证后，研究团队使用耦合 SimplorerFluent 分析来对商用飞机在短途飞行中七个典型阶段可能遇到的条件下的ECS 行为进行仿真。这些条件包括跑道上的 4 分钟滑行、1 分钟起飞、15 分钟爬升、5 分钟巡航、20 分钟下降、40 秒着陆、5 分钟滑行回停机位等。Simplorer 对在所有七个阶段中保持机舱温度符合设定点 23℃(73F) 所需的发动机引气质流速率进行了预测。正如预期，CFD 仿真预测出，由于地面和飞行高度的温差更加显著，如果机舱在地面时处于炎热环境，那么飞行中的机舱空气流速和温度就会发生更大波动。
在执行 GAC 和 ECS 案例中七个不同耦合仿真的过程中，该团队通常在大约 4 小时内完成 Simplorer 和 Fluent 内的模型设置。Simplorer 模型运行速度非常快，而一般要对仿真飞行条件下机舱气流进行非常精细的瞬态 CFD 分析，需要在 32 个处理器上运行大约 60个小时。下一步的工作内容是为展现机舱的 ANSYS Fluent CFD 模型实现降阶建模 (ROM)，从而在不牺牲仿真输出精度的情况下大幅缩短整体系统仿真时间。

研究人员对 ANSYS Simplorer 和 ANSYS Fluent 模型进行耦合，以分析 ECS 对机舱热环境的瞬态影响。

天津大学和普渡大学的团队 同CARE 联盟与波音及 COMAC 的研究人员共同分享了研究成果。有早期迹象表明，这些制造商将设立他们自己的虚拟平台，用于对未来的 ECS 设计进行仿真。另外，今后也将对该团队与 CARE行业合作伙伴共同做出的 ECS 预测开展实验验证，以有助于进一步提升此类飞机系统的性能。
根据 CFD 仿真预测，当地面上处于炎热环境时，飞行中机舱空气的流速和温度会发生较大波动。