2012CB720100-G大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究.Doc
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1、项目名称:大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究首席科学家:陈清焰 天津大学起止年限:2012.1-2016.8依托部门:教育部 天津市科委一、关键科学问题及研究内容l 拟解决的关键科学问题要满足国产客机的安全性、经济性、舒适性、环保性,座舱空气环境及环境控制系统起着重要作用。提高客机座舱的空气环境质量最主要的瓶颈是如何准确地预测座舱空气的非定常流动,而其关键是要建立能准确确定座舱空气流动的湍流模型。实现高品质的客机座舱空气环境最主要的瓶颈是如何正确描述多场耦合的座舱空气环境,其关键是要发展基于逆向求解原理的反向设计方法。依据大型客机座舱环境控制的发展趋势和适航认证分析的需求,基于数值模
2、拟方法、实验测量技术、逆向求解原理等多方面的分析,本项目提炼出两个需要解决的关键科学问题。(1)座舱环境空气非定常分布与污染物非线性传递机理这是一个多尺度和多物理的科学问题,是研究座舱空气环境质量的基础。基于座舱内环控系统射流产生的惯性力、乘员和电子设备发热产生的热浮力和座舱复杂非定常边界条件共同作用下的非定常、非线性、多尺度流动的机理,提出座舱内空气复杂流动高效的模拟方法,求解座舱中尺度范围高达五个数量级条件下的流场,准确预测速度、温度、浓度、湍流度、压力等物理量。基于上述复杂空气流动过程和机理的研究,探讨座舱内多种生化污染物的产生、传输、扩散的非线性规律,建立座舱环境动力学模型和模拟方法。
3、精确测量座舱内热流体边界条件、污染源和汇的边界条件、空气流动和污染物分布与输运参数,对上述环境动力学模型和模拟方法进行验证。为科学地评估和设计座舱环境提供有效和准确的工具。(2)座舱环境多场耦合的物理特征与多参数目标控制的原理这是一个多学科的科学问题,是设计和提升座舱环境质量的关键。基于生理学、环境医学、人工环境学等交叉学科知识,科学地建立安全、健康和舒适座舱环境的设计参数,建立相应的适航标准和验证适航符合性的方法,这对于国产大型客机的适航取证至关重要。以这些设计参数为目标,研究座舱环境多场耦合反向模拟的基本原理,阐明座舱环境由果及因、追本溯源的逆向计算基本准则与反算求解策略,建立全新的座舱环
4、境逆向设计理论。发展电驱动压缩和座舱排气涡轮的混合增压气源的新技术概念,探索新型空气净化技术,为开发高效、节能、安全、健康和舒适的座舱环境控制系统提供科学方法和技术基础。l 主要研究内容主要研究内容与关键科学问题的关系如图2所示。围绕上述关键科学问题,主要开展6个方面的研究。2.低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律6.座舱环境控制系统全飞行状态的动态调节机理3.座舱空气质量与热舒适系统实验评估准则1.座舱空气非定常流动特征及数值模拟策略大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究重大需求科学问题座舱环境空气非定常分布与污染物非线性传递机理座舱环境多场耦合的物理特征与多参数目标控制的原理5
5、.座舱环境多场耦合反向设计基本原理4.座舱环境设计参数体系与适航标准的符合性验证方法研究内容图2 主要研究内容与关键科学问题的关系围绕座舱环境空气非定常分布与污染物非线性传递机理这一关键科学问题的重点研究内容是:(1)座舱空气非定常流动特征及数值模拟策略座舱内的空气流动非常复杂,基于个人通风喷口直径和主风口的雷诺数只有几千到几万,格拉晓夫数量级在108-1010。惯性力与热浮力相当,是非常典型的不定常湍流流动,需要研究复杂动态几何边界形状(如人体)与关键流动部位(如个人通风口)非定常相互作用产生湍流流场的机理。此外,大型客机座舱几何结构不规则、尺度变化大,B747-8洲际客机的长度达76.3
6、m,座舱内个人送风口的半径仅2 mm,而这两个尺度对座舱流动和环境质量的影响都很大,需要分别建立单个乘客、单排乘客、若干排乘客、某一舱段直至整个座舱的多尺度非定常流动耦合模拟策略,在保证精确度的情况下,降低对计算机内存量和速度的要求。开发高效的座舱环境非结构网格生成技术和数值计算方法;探讨低雷诺数、高湍流度、多浮力、多场耦合、复杂非定常边界条件的非定常流动高效求解方法,发展适合座舱环境的湍流模型或湍流模拟方法,发展座舱流动数值模拟与系统实验测量相互验证的原理与方法。(2)低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律客机上用的特殊材料和设备会散发特有的有害物,舱外的大气层臭氧浓度远高于地面,进入座
7、舱后能在舱内产生复杂的化学反应并产生二次污染,客机乘客和机组人员特别是传染病患者产生的致病微生物颗粒可能会在舱内传播。此外,座舱内的特殊气流、较低的压力和空气湿度以及在飞行过程中各种环境参数的动态变化都有可能对客舱内污染物的产生和传播特性产生重要影响。因此,需要研究客舱特殊环境条件对座舱材料和设备、发动机引气、乘员等引起的各种污染物的影响机理;研究座舱内臭氧与多种挥发性有机物以及人体衣物之间的化学反应 机理,分析化学反应产生的二次污染物的形成机理和影响因素;建立座舱中多种 污染物传输和扩散的非线性规律与乘客和机组人员呼吸系统的关系,并开发相应 的模拟仿真平台。(3)座舱空气质量与热舒适系统实验
8、评估准则不仅验证流动数值模拟模型需要流场特征实验数据,座舱空气质量和热舒适的评估更需要精确的、系统的、高时空分辨率的、多物理量的实验来进行。评估座舱空气质量需要利用光学流场量测和流动可视化技术研究乘客和机组人员与周围环境流场相互作用的基本原理;设计高可靠性、高稳定性、动态边界条件下的局部模拟舱实验来验证空气流动数值模拟模型;利用天津大学已经拥有的 MD-82 大型客机发展座舱内环境(速度场、温度场、气态和颗粒有害物浓度场、压力场)的系统多物理量快速精细实验测量方法,耦合这些不同尺度的实验数据发展耦合准则。评价热舒适需要测量综合的温度、空气相对湿度、气流速度场,考虑压力变化对乘员舒适的影响。围绕
9、座舱环境多场耦合物理特征与多参数目标控制的原理这一关键科学问题的重点研究内容是:(4)座舱环境设计参数体系与适航标准的符合性验证方法座舱环境设计参数应科学合理地满足乘客和机组人员安全、健康、舒适的要求。需要基于半封闭环境的环控理论和标准,对座舱内空气质量对乘客和机组人员健康风险进行定量评估;以及通过对人体及人体周围微环 境测量,对乘员舒适性给出定量和主观的评估。此外,客机座舱环境研究的重要 目标之一是为修改或制定未来座舱环境的适航标准提供科学依据,结合座舱环境 因素对人体影响的评估结果,发展多因素耦合的网络化分析和解耦技术,提出具 有更高安全性和舒适性的适航标准建议。研究相应的适航符合性验证方
10、法,包括 分析和地面实验,建立基于相似原理的缩比实验方法和相似准则数。(5)座舱环境多场耦合反向设计基本原理现有座舱环境设计,无法在乘客的周围先设定一个理想的微环境,反推得到这种环境所需的环境控制系统。需要综合空气质量和热舒适相关座舱环境设计参数,研究速度场、温度场、有害物(气态、液态、固态颗粒)浓度场之间的耦合 机理和与人体总体舒适的关系。发展类似于纳维-斯托克斯方程的非稳态逆向流 体力学模型,将耗散项修正为四阶项,进行座舱环境里各种流场的反向模拟,使 得流体随时光倒流在计算机模拟上变为现实。研究多尺度流动反向模拟的耦合策 略与机理,建立座舱内空气传播物的反算理论基础和求解原理,进行反向模拟
11、方 程稳定性和误差分析,探讨最佳座舱环境设计所需的环控系统热流体参数,这将 是创新性的座舱环境设计方法。利用不同尺度的座舱环境流场数据对反向设计结 果进行实验验证。(6)座舱环境控制系统全飞行状态的动态调节机理要节能并彻底消除突发空气品质事件,必须利用电动增压气源和蒸汽压缩循环。这就必须研究电动环境控制系统中关键部件(如轮式的压气机-涡轮组件)的热力学特性,如流量、压力、转速、功率特性。必须模拟全飞行过程各种状态下环控系统动态特性对座舱空气环境(如温度、湿度和压力)的影响,研究电动涡轮增压系统与机载制冷系统以及座舱环境三者之间的能量协调策略和控制规律。研究低密度、高强度高效玻纤对颗粒物的过滤机
12、理,探讨荷电过滤、等离子氧化、光催化、紫外线、离子交换树脂、高效玻纤过滤等先进的空气净化技术用在客机上的可能性,杜绝座舱突发空气品质事故,提高座舱空气品质。二、预期目标l 总体目标本项目的总体目标是应对我国制造大型民航客机的重大需求,建立满足安全、健康和舒适要求的座舱动态环境动力学理论体系框架、高精度数值模拟仿真平台以及新型座舱环境多场耦合反向设计原理,为建立未来座舱环境适航标准提供科学依据,创立座舱环境研究基地并培养相应人才,发展具有自主知识产权的我国大型客机座舱环境控制系统的设计原理。(1) 建立满足安全、健康和舒适要求的座舱环境动力学理论体系框架及高精度数值模拟仿真平台:首先通过座舱空气
13、动力学计算求解舱内空气非定常分布并进行实验验证,在低雷诺数、高湍流度、非定常流动模拟上取得突破;揭示座舱内生化污染物的产生、非线性输运扩散传播和人体暴露原理,预测生化污染物对乘客和机组人员健康的影响;分析座舱流场里乘客和机组人员热舒适程度,为设计健康、舒适、节能型的环境控制系统奠定理论基础。综合上述研究成果,建立具有完全自主知识产权的大型客舱空气环境数值模拟仿真平台。(2) 建立座舱环境多场耦合反向设计原理:提出伪可逆和准可逆流场反向模拟原理,为大型客机座舱环境设计提供创新性的方法;发展下一代电动涡轮增压与适用于客机的空气过滤环控系统,为创造高能效的安全、健康和舒适型座舱环境提供技术支撑;确保
14、我国大型客机在国际竞争中占据优势,为我国客机座舱环境能通过未来适航认证提供技术保障。通过本项目的多尺度、多物理和多学科的交叉科学研究,推进我国在安全、健康和舒适座舱环境适航标准方面的研究,力争使我国在这一领域实现跨越式发展,达到国际先进水平。凝聚和造就一支交叉学科、高水平的研究队伍,形成从事安全、健康和舒适座舱环境研究的创新人才培养基地。新型的湍流模型、模拟方法和反向环境设计理论和技术还可以应用到其他具有高密度人群的封闭交通工具(高速列车、大型客车、地铁、公共汽车、游轮等)以及建筑的内部环境,为我国民众旅行、工作和居住提供安全、健康与舒适的环境保障。l 五年预期目标 基础理论研究层面目标(1)
15、 揭示座舱多尺度复杂空气非定常流动和生化污染物非线性输运扩散的机理,在模拟模型和模拟方法上取得突破,并进行准确的科学验证。(2) 提出有限空间环境多场耦合反向设计理论,为包括座舱环境在内的人造环境设计提供新的方法。 技术层面目标 (1) 开发出准确的全尺度座舱环境控制优化设计计算机程序,实现大型客机座舱环境全飞行状态动态数值模拟。(2) 评估座舱生化污染物对乘客和机组人员健康的影响和热环境对乘员舒适的影响,加强人与环境关系的数据积累,为建立和完善未来座舱环境设计参数和适航标准提供技术支持。(3) 发展环保、节能型环控系统,提出先进的生化污染物消除与控制方法,为设计安全、健康和舒适的大型客机环控
16、系统提供技术支撑,建立具有自主知识产权的我国大型客机座舱环境控制系统的设计原理。 优秀成果和人才培养目标 (1) 在本项目研究过程中形成的成果,拟出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著12部,在国内外学术刊物上发表学术论文148篇,其中三大检索论文占80%以上;申请10项以上国家发明专利或软件注册登记,形成行业或国家标准1项。项目主要成果申报国家级科技奖励。(2) 举办12次相关国际研讨会,与国外顶级科研单位建立合作及人员交流,确立我国在座舱环境研究方面的国际地位和影响力。(3) 培养造就一支团结合作、富有朝气和创新精神人工环境领域的基础与高技术研究队伍,包括23名具有国际影响力的科学家、12名
17、国家级人才计划获得者、810名中青年学术带头人。培养博士后15名、博士41名、硕士66名。三、研究方案l 总体思路大型客机座舱空气环境是国际热点研究问题,针对这一问题的研究也是我国大型客机最有可能取得突破的创新点。本项目针对国内外该领域研究面临的瓶颈障碍和需要解决的基础问题,分析了该领域研究的发展趋势,以建立安全、健康和舒适的座舱环境为总体先进指标,以座舱环境的正向数值模拟和反向设计的原理为基本方法,以发展我国未来的适航标准为目的,本项目采用以下的总体研究思路:根据大型客机座舱非定常空气流动的多尺度和多物理特征,发展相应的计算流体力学手段,结合实验测量验证,提出准确模拟座舱流动方法和特殊湍流的
18、模型理论;在此基础上,建立理论模型定量确定座舱里不同生物和化学污染物产生、传输、扩散的非线性过程特征;建立自主知识产权的座舱环境模拟方法和平台,运用不同尺度的精确实验数据对模拟结果进行系统的验证;综合人机工程学、人工环境学、环境医学等交叉学科,建立未来客机安全、健康和舒适的环境设计参数和适航标准;基于逆向思维,提出多场耦合反向模拟的设计理论,构建设计大型客机座舱环境的方法体系;协同热力学、传热学、流体力学、化学和材料学,发展新型节能环保的座舱环境控制系统和空气净化系统,形成具有自主知识产权的座舱环境控制系统设计原理。图3 总体学术思路本项目提出的上述学术思路是对传统座舱环境设计思想的重大改进,
19、如图3所示,传统的座舱环境设计模式是根据座舱的几何参数、舱内、外环境参数初始条件以及环控系统参数等边界条件,根据舱内空气流动的弱湍流特征,采用数值计算模拟或者实验分析的方法,获得当前设计条件下的座舱内部环境参数及其分布规律,包括气流流场、温度场、湿度场、流场多组分污染物场等,然后与人体舒适、健康、能效相关的设计目标参数进行对比,如果不满足目标参数,需要多次修改初始参数再次计算,直到满足目标参数为止,这种方法是一种试算法,由于座舱环境的参数众多而且相互耦合,使得座舱的设计费时费力而且很难达到最优设计。而根据本项目提出的学术思路,可以发展出逆向反馈式设计模式,通过建立科学的理论模型,直接根据目标环
20、境参数反向求解所需要的座舱环境控制系统参数,可实现快速优化的座舱环境控制设计。同时,为了满足最优化的环控系统参数需求,需要开发相关的节能高效环控系统并进行基础研究。环控系统设计理论,适航条例验证系统建模,模拟分析,理论研究搭建装置,测试分析,验证理论座舱环境空气非定常流动特征及数值模拟策略多场设计参数与适航标准符合性分析座舱空气质量与热舒适系统实验评估准则低压座舱内污染物产生和传播的非线性规律技术方案大型客机座舱环境控制的关键科学问题研究国家重大需求技术特征多尺度、多物理多场、多学科座舱环境多场耦合反向设计原理节能环保型环境控制系统的调节机理技术途径理论层面:理论创新技术层面:技术创新系统层面
21、:原理创新图4 本研究的技术途径l 技术途径解决座舱环境空气非定常分布与污染物非线性传递机理这一科学问题的主要目的是通过计算获得座舱动态环境的精确而全面的数据,据此评估座舱的安全性、健康性和舒适性。需要研究座舱里生化污染物的产生、传输和扩散的非线性过程,并揭示该过程与空气动力学的相关性和相互作用。利用精确实验数据验证和判断计算机模拟结果的准确性。解决座舱环境多场耦合的物理特征与多参数目标控制的原理这一科学问题需要科学地定义座舱环境的指标参数,实现可接受环境指标和运行成本的平衡;研究合适的分析技术满足适航的需要。基于座舱里目标环境参数,通过多场耦合反向模拟确定环控系统的设计参数(如风口位置、速度
22、、温度)和座舱材料;研发新型高效、节能的环控和空气净化系统。图4表示本研究的技术途径与总体思路的关系,具体的技术途径概括如下:(1)座舱空气非定常流动特征及数值模拟策略座舱内的流动在空间和时间上都具有高度间歇性,现有的湍流模式不能准确解决这一难题。基于不可压缩流动纳维-斯托克斯方程,利用Boussinesq近似浮力效应,采用强隐算法、多重网格技术等方法解决数值刚性问题,提高低雷诺数流动收敛性和计算效率。发展基于脱体涡模拟(DES)技术的雷诺平均(RANS)/大涡模拟(LES)混合方法等先进湍流模拟技术,开展座舱典型湍流流动结构与机理分析,建立基于雷诺应力模式适合舱内流动模拟的湍流模型。发展窗口
23、嵌入网格技术,生成适合舱内极度复杂空间的多尺度高质量网格。发展多层窗口嵌入计算策略,完成复杂多尺度流动的高效高精度计算。与实验结果验证对比,确定舱内流动模拟规模、尺度与结果可信度间的关系。建立预测舱内不同位置风速、风向、温度等参数的能力,为舒适性分析提供依据,为座舱内生化污染物的输运研究和座舱环控系统反向设计研究提供基础数据和原理依据,也为座舱环境评价和适航设计、审定和验证技术提供依据和理论支持。(2)低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律结合不同尺度环境测试舱和课题(3)的实验研究,测试座舱材料、舱内设备和多种用品,以及人员活动和新陈代谢活动所产生的污染物数量和种类,建立反映上述不同种类
24、污染物产生过程机理的模型,特别是通过分子运动理论分析舱内低压力、低相对湿度等特殊环境参数对污染物从固体散发过程的影响原理。测量和模拟不同臭氧浓度、座舱相对湿度、新风比等条件下臭氧在座舱里发生的化学反应方程式和反应速度。测量在低湿度及变环境参数下流感乘员通过咳嗽、说话、呼吸和打喷嚏产生的液滴颗粒的数量和直径分布。在此基础上,结合课题(1)的流动模型,研究多种污染物在舱内的非线性传递规律,量化确定整架飞机座舱到人体肺支气管的多尺度生化污染物分布。(3)座舱空气质量与热舒适的系统实验评估准则应用热线测速、高时间分辨率粒子图像测速仪(TRPIV)、快速摄影技术,测量人体呼吸系统功能,发展人体呼吸系统模
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