狭长型封闭舱室内非定常流动特征研究

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随着社会经济的快速发展,飞机成为了更多人出行选择的交通方式,与此同时人们开始追求出行的舒适性和安全性。机舱内热环境及气流分布等问题更加受到人们的关注。机舱是一个封闭、狭长、人员密集的特殊空间,这些因素使舱内流场变得复杂。飞机机舱这种人员密集的环境普遍存在于我们的生活中,例如高铁动车车厢、船舶舱室以及医院病房、装配住房等特殊建筑环境。这类环境中,由于人员分布密集,室内的热浮力对流场结构有很大影响,其中机舱属于封闭空间,受外界因素影响较小。狭长的封闭舱内当上下面存在温差时,在封闭舱纵向方向上会产生多个不稳定的涡流。纵向涡流的出现,不仅会造成气流的非定常流动,还会造成机舱内部前后不同排乘客的热舒适差异。因此,本文以飞机舱室为典型环境,对狭长型封闭舱室内非定常流动特征展开研究。实验和模拟相结合的方法,是获得飞机舱室内气流组织情况的关键。实验测量是获取气流组织情况最准确的方法,对比测量得到的实验值与模拟结果之间的偏差,实验值和模拟结果相符合可以对机舱内流场展开更为完整全面的研究。实验研究方面,本研究依据实际飞机座舱尺寸,设计10:1狭长缩比机舱模型,搭建包括恒温室、缩比机舱模型、送风系统和测量系统的实验平台,其中将人体进行合理简化为方块并铺设电阻丝,用来模仿舱内人员的发热情况,之后对舱室内温度和速度进行测量并分析;数值模拟方面,结合实验平台实际尺寸建立模型,对FLUENT提供的三种湍流模型(RNG k-ε、LES、DES)进行对比验证,结果表明,LES模型得到的结果更接近实验结果,能更加真实的反映狭长型封闭舱室内非定常流动。本文根据实验和模拟的结果,在满舱情况下,从温度场、流场、涡结构和舒适性四个方面,对机舱缩比模型舱内气流流动特征进行分析。结果表明,在两侧送风边界条件完全相同的情况下,由于射流碰撞和人体热羽流共同作用影响,封闭舱室内横向尺度温度场和流场出现不对称现象。纵向尺度上气流失稳,产生大量不稳定的离散涡结构。与实际尺寸飞机舱室内数据对比,缩比模型同样适用预测舱内人体热舒适,侧送风方式下的狭长型封闭舱室内气流均匀性良好,热舒适性整体偏冷。本文进一步在空舱状态下,探究底面热源驱动下的狭长型封闭舱室内非定常流动的机理。结果表明,空舱内横向尺度出现的不对称流动现象与满舱情况下类似,是狭长型封闭舱室内共有的流动特征。纵向尺度上会出现周期性的高温区域,高温区域不稳定的热对流使得气流纵向方向失稳,高温控制区域约为2倍舱体高度,1.3倍舱体宽度。
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