单通道飞机客舱隔热层渗风量的模拟与测量

作     者：董劲松 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张腾飞

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：客机 隔热层 渗风 气压 实验 CFD 

摘      要：客机运营过程中,舱内与机身隔热层的压差可造成客舱与隔热层之间的空气交换。当客机巡航时,其蒙皮温度远低于客舱空气的露点温度,从内饰板接口或铆钉处渗入隔热层的湿空气可造成蒙皮内壁凝水或结冰。随着客机运行时间增加,隔热层内的水分也逐渐积累,滋生微生物,造成霉变、材料腐蚀、和机体增重。客舱往隔热层的渗风受飞机巡航高度、缝隙位置、缝隙几何尺寸等诸多因素影响,目前还缺乏对对客舱与隔热层之间渗风机理以及影响渗风量大小的系统研究。本文使用经过实验验证的数值模拟方法研究了飞机巡航高度、缝隙尺寸、缝隙位置、以及在隔热层内安装阻流板与否,对气流场、温度场、气压场和渗风量的影响。首先在实验室建立了包含蒙皮、隔热层、内饰板的缩比客机舱段模型,使用加热器和混合风扇控制舱内温度。将实验舱段放置于零下20℃的低温环境舱中,来模拟客机巡航时的外部环境。使用微压计、温度传感器和铂电阻对缩比模型舱的隔热层气压和舱内温度和壁面温度进行了测量。将获得的实验测试结果与CFD模拟结果进行对比,验证数值模拟方法的准确性。然后,运用CFD对单通道窄体客机的舱段进行模拟,设计的模拟案例涵盖:12km、10km和8km三种巡航高度;5mm、2.66mm和1mm三种缝隙尺寸;阁顶处、行李架下方以及窗户处不同缝隙位置的多种组合;以及在隔热层设置阻流板与否等。最后对客舱往隔热层的渗风量进行预测分析。研究结果表明,本文采用的CFD模拟方法获得了与实验测试数据较为一致的结果,验证了所采用模拟方法的准确性。分析模拟结果发现,飞机的巡航高度越高,舱内外温差越大,从客舱到隔热层的渗风量就越大,客机在12km高度巡航时的渗风量要比客机在8km巡航高度时的渗风量的两倍还大。缝隙尺寸越小,渗风量越小,1mm缝隙尺寸的渗风量小于5mm和2.66mm渗风量的一半。缝隙越多,越偏离客舱和隔热层压差的中和面,渗风量就越大。在隔热层中间加装流阻板,可以使客舱向隔热层的渗风量降低34.5%。