CN103365216B - 一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台，包括恒温室，所述恒温室中设有半透明客机座舱环境模拟舱，还包括恒温室空调系统、模拟舱空调系统、实时数据采集和监控系统。半透明模拟舱及内部座椅均按照真实客舱尺寸1∶1进行设计安装。模拟舱内设有暖体假人，用以模拟真人显热散热。模拟舱安装有多种类型的仿真风口，拆卸更换方便。开关阀门可以更改模拟舱的气流组织形式。利用恒温室和模拟舱的两套空调系统，可以实现多种实验工况。利用计算机软件平台，可以实现实时数据监测和控制。本发明能够充分利用PIV技术获得客舱内的流场，同时可实现多种客舱气流组织形式。实验过程中工况稳定，温度和送风量调控准确。

Description

一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台

技术领域

本发明涉及客机座舱环境实验研究,具体涉及客机座舱气流组织特性、污染物传播和乘客热舒适等相关实验研究。

背景技术

随着科技和民航事业的发展，客机作为提供高速快捷的公共运输服务的交通工具，逐渐成为大众化的出行方式。目前全世界每年有超过20亿人选择乘坐飞机出行，并且这个数字还将不断增加。随着空乘旅客数量的不断增加，由乘坐飞机所带来的问题也将不断攀升。国际航班大大增加了传染性疾病在国际间迅速传播的机会，世界卫生组织（WHO）指出2003年SARS传播至世界5大洲的26个国家和2009年甲型流感传播至世界6大洲的214个国家的主要原因是客机充当了传播的载体，这也引起了人们对大型客机座舱环境中传染性疾病传播的高度重视。另据报道，在国际航班中约有50%的人会出现不适症状，并且有5%的人需要特殊的医疗救助(Lederetal.InternalMedicineJournal,2005,35(1):50-55.)。因此，如何营造一个安全、健康和舒适的客舱环境以保障乘客和机组人员的生命安全、身体健康和舒适就显得尤为重要。而研究客机座舱空气环境尤其是座舱内的气流组织和污染物的传播规律是解决这一问题的科学基础，这也是我国研发制造国产大型客机，实现座舱环境控制研究领域跨越式发展需要解决的关键科学问题。

目前国际上研究客舱环境最可信的方法是利用模拟舱进行实验研究。一些国外学者曾经搭建过包括Boeing767（Zhang,etal.2009.Experimentalandnumericalinvestigationofairflowandcontaminanttransportinanairlinercabinmockup.BuildingandEnvironment,44(1):85-94）、Airbus380（Bosbach,etal.2006.Experimentalandnumericalsimulationsofturbulentventilationinaircraftcabins.Energy,31(5):694-705）以及简化座舱(Poussou,etal.2010.Flowandcontaminanttransportinanairlinercabininducedbyamovingbody:modelexperimentsandCFDpredictions.AtmosphereEnvironment,44:2830-2839)的环境模拟舱。但这些模拟舱在应用上都存在一定缺陷：（1）大多数模拟舱外壁是不透明的，只能应用嵌入式的流场测量工具（超声波风速仪等），其本身对舱内的流场有影响。（2）部分透明模拟舱的可以应用非嵌入式的粒子成像测速技术（PIV)，但其测量区域一般受到明显限制，并且基本是没有暖体假人和座椅的空舱工况。（3）现有的模拟舱只是针对某一机型进行设计，无法进行不同机型客舱内气流组织形式的对比研究。(4)现有客舱仿真实验平台并没有考虑模拟舱外部环境的精确控制，边界条件的稳定性和可调控性较低。因此，需要进一步开发设计适应性和可控性更强的客舱环境仿真实验平台。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台。该实验平台可以满足座舱热边界及初始条件仿真适应性，可控性，准确性及精细测量的需要。可以进行非嵌入式的粒子成像速度测量（PIV）、污染物浓度采样测量以及温度场测量，为计算流体力学（CFD）数值计算提供可靠的边界条件和高质量的对比验证实验数据。

为了解决上述技术问题，本发明一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台，包括恒温室和设置在所述恒温室中的半透明客机座舱环境模拟舱、恒温室空调系统、模拟舱空调系统、实时数据采集和监控系统；所述半透明客机座舱环境模拟舱的中间部分和正面舱壁采用高透光性材料，所述半透明客机座舱环境模拟舱设有多种仿真风口，用以仿真实现现代客机座舱的真实送风状态，多种仿真风口为可拆卸更换型；所述半透明客机座舱环境模拟舱地板上通过安装导轨连接有客机座椅，用以还原真实客机座舱内的空间结构；所述半透明客机座舱环境模拟舱内还设有暖体假人，用以模拟真人各部位的显热散热；所述恒温室空调系统由恒温室空调机组和恒温室空调管道系统构成，所述恒温室空调系统用于控制模拟舱外恒温室室温，所述恒温室空调系统的温度控制精度为±1℃，通过调节恒温室室温用以仿真实现飞机在巡航或地面停机状态下客舱内壁面的温度边界条件；所述模拟舱空调系统由模拟舱空调机组和模拟舱空调管道系统构成，所述模拟舱空调管道系统与所述半透明客机座舱环境模拟舱的仿真风口相连，用于实现模拟舱恒温送风以及仿真实现多种气流组织形式，所述模拟舱空调系统的温度控制精度为±0.5℃，最大送风量至少能达到10L/（s·人）；所述实时数据采集和监控系统由传感器、信号调理模块、数据采集模块和远程计算机组成，所述实时数据采集和监控系统实时调控的参数至少包括：恒温室室温、恒温室空调送风温度、模拟舱舱内温度、模拟舱送风温度、模拟舱排风温度和模拟舱实际送风风量。

进一步讲，本发明半透明大型客机座舱环境仿真实验平台，其中，所述多种气流组织形式包括客舱侧壁送风口送风、客舱顶部送风口送风、客舱顶部和侧壁送风口同时送风、客舱过道地板送风口和回风口分别送风、客舱过道地板送风口和回风口同时送风。

所述传感器实时监测所述恒温室空调系统的送风温度和恒温室室温以及所述模拟舱空调系统的送风温度、排风温度和所述半透明飞机座舱环境模拟舱内空气温度。

所述信号调理模块将由传感器测量的信号调理成标准信号再由数据采集模块将其转换成数据并在远程计算机的软件平台中显示，所述软件平台根据监控数据结果对实时调控的参数进行采集和调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

模拟舱及内部座椅均按照真实客舱尺寸1:1进行设计安装，可以保证测量几何空间对实际客舱的再现。模拟舱内可采用传统的点测量仪器进行速度场、浓度场和温度场的测量。同时，部分舱壁采用透明设计，能够充分利用非嵌入式的PIV技术获得客舱内的瞬时流场。

安装有多种类型的仿真风口，且拆卸更换方便。送回风管道外有保温层，保证送风温度的稳定，密封性好。利用调节阀门，可以对送风管道和回风管道进行调整切换，实现多种真实客机座舱内的气流组织形式，以及研究新型气流组织形式。

利用恒温室和模拟舱的两套空调系统，可以实现实验平台多样性的热工边界条件设置，满足多种实验工况需求。利用PID反馈调节对空调系统的运行工况进行精确调控，保证实验过程中边界条件的稳定性。

该实验平台利用计算机软件平台进行实时数据监测和自动化控制，工况参数调控快捷准确。

该实验平台具有可开发性，不仅适用于开展客机座舱环境的基础实验研究，还可以用于相关学科的教学实践或展示。

附图说明

图1是本发明实验实验平台系统组成分解示意图；

图2是本发明实验平台半透明模拟舱外观尺寸图；

图3是本发明实验平台半透明模拟舱截面尺寸图；

图4是本发明实验平台风管和调节阀门布置俯视图；

图5是本发明实验平台风管和调节阀门布置侧视图；

图6是本发明实验平台风管和调节阀门布置主视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台包括恒温室和设置在所述恒温室中的半透明客机座舱环境模拟舱1、恒温室空调系统2、模拟舱空调系统3、实时数据采集和监控系统4。

所述半透明客机座舱环境模拟舱1用于仿真实现客机座舱的几何结构，它根据真实客机座舱结构、按照1:1尺寸进行设计。所述半透明模拟舱的外观尺寸如图2所示：环境舱整体长度为5.8m、中间透明部分长度为2.56m、舱体地板宽度为3.25m、舱体最大宽度为3.53m、舱体高度为2.15m。舱体被置于长5.8m、宽3.8m、高0.35m的抬高空间上。该空间充当了客机货舱，当地板送风时则相当于一个静压箱以利于均匀送风。其中，中间部分和正面舱壁采用高透光性的材料以充分利用PIV技术获得座舱内的瞬时流场。在模拟舱搭建选材上，透明部分舱壁推荐采用具有很好透光性和弯曲加工性的亚克力板材，非透明舱壁推荐采用镀锌铁板。

为了仿真实现现代客机座舱的真实送风状态，所述半透明客机座舱环境模拟舱1设有多种仿真风口以形成多种气流组织形式，包括客舱侧壁送风口送风、客舱顶部送风口送风、客舱顶部和侧壁送风口同时送风；另外，为了研究下送上回气流组织方式在客舱中的适用性，模拟舱还设计了客舱过道地板送风口和回风口分别送风、客舱过道地板送风口和回风口同时送风等多种送风形式。具体位置和尺寸如图3所示：A为顶部送风口，设计为长条缝配合孔眼的形式，宽度为84mm；B为两侧侧壁送风口，设计为条缝形格栅的形式，宽度为90mm；C为两侧回风口，设计为多孔板的形式，宽度为62mm；D为过道地板送风口，设计为多孔板的形式，宽度为250mm。所有风口都设计为可拆卸更换型，可研究新型风口的适用性。不同的送风形式可以通过更改送风管道或回风管道内的调节阀门来实现，图4，图5和图6分别为本发明一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台中风管和调节阀门布置的俯视图、侧视图和主视图。其中，1为送风主干管道、2为侧壁送风管道、3为顶部送风管道、4为地板和回风口送风管道、5为总排风管道、6为顶部排风管道、7为底部排风管道、8为半透明客机座舱环境模拟舱的透明部分、9为恒温室。风管上的每对竖线表示各段风管之间的连接部位。在部分连接部位上装有调节阀门：V1为顶部送风阀门、V2为两侧侧壁送风阀门、V3为两侧地板和回风口送风阀门、V4为顶部排风阀门、V5为底部排风阀门。本发明实验平台的所述不同气流组织形式可以通过开关相应阀门和调整风口实现：开启两侧侧壁送风阀门V2和底部排风阀门V5，关闭顶部送风阀门V1、两侧地板和回风口送风阀门V3和顶部排风阀门V4，将过道地板送风口用盖板封住，为客舱侧壁送风口送风；开启顶部送风阀门V1和底部排风阀门V5，关闭两侧侧壁送风阀门V2、两侧地板和回风口送风阀门V3和顶部排风阀门V4，将过道地板送风口用盖板封住，为客舱顶部送风口送风；开启顶部送风阀门V1、两侧侧壁送风阀门V2和底部排风阀门V5，关闭两侧地板和回风口送风阀门V3和顶部排风阀门V4，将过道地板送风口用盖板封住，为客舱顶部和侧壁送风口同时送风；开启两侧地板和回风口送风阀门V3和顶部排风阀门V4，关闭顶部送风阀门V1、两侧侧壁送风阀门V2和底部排风阀门V5为客舱过道地板送风口和回风口同时送风；开启两侧地板和回风口送风阀门V3、顶部排风阀门V4，关闭顶部送风阀门V1、两侧侧壁送风阀门V2和底部排风阀门V5，将回风口用盖板封住，为客舱过道地板送风口送风；开启两侧地板和回风口送风阀门V3、顶部排风阀门V4，关闭顶部送风阀门V1、两侧侧壁送风阀门V2和底部排风阀门V5，将过道地板送风口用盖板封住，为客舱回风口送风。

如图1所示，所述恒温室空调系统2用于控制模拟舱外恒温室室温，由恒温室空调机组2-1和恒温室空调管道系统2-2构成，室内空气经过空调机组处理后由空调送风管道送出，从而维持座舱外部环境温度恒定；要求温度控制精度为±1℃，通过调节恒温室室温用以仿真实现飞机在巡航或地面停机状态下客舱内壁面的温度边界条件。

所述模拟舱空调系统3用于实现模拟舱恒温送风以及仿真实现多种气流组织形式，由模拟舱空调机组3-1和模拟舱空调管道系统3-2构成，所述模拟舱空调机组3-1通过所述模拟舱空调管道系统3-2与所述半透明飞机座舱环境模拟舱1的仿真风口连接，所述模拟舱空调管道系统3-2的另一端直接与室外空气相通；要求温度控制精度为±0.5℃，最大送风量至少能达到10L/（s·人）。

所述实时数据采集和监控系统4由传感器4-4、信号调理模块4-3、数据采集模块4-2和远程计算机4-1组成，用以实现远程监控空调机组的运行状态，确保实验工况的稳定。所述实时数据采集和监控系统实时调控的参数至少包括：恒温室室温、恒温室空调送风温度、模拟舱舱内空气温度、模拟舱送风温度、模拟舱排风温度和模拟舱实际送风量。所述传感器4-4实时监测所述恒温室空调系统2的送风温度和恒温室室温以及所述模拟舱空调系统3的送风温度、排风温度和所述半透明飞机座舱环境模拟舱1内空气温度。

所述信号调理模块4-3将由传感器4-4测量的信号调理成标准信号再由数据采集模块4-2将其转换成数据并在远程计算机4-1的软件平台中显示。所述软件平台可以根据监控数据对温度和送风量进行设置和实时采集。

所述半透明客机座舱环境模拟舱地板上通过安装导轨连接有一套真实的客机座椅5，用以还原真实客机座舱内的空间结构；所述半透明客机座舱环境模拟舱内还设有暖体假人6，用以模拟真人各部位的显热散热，暖体假人6安放于所述真实客机座椅5上。该暖体假人的制作可以用不同长度的热电阻丝均匀缠绕在模特假人身体的各个部位。

本发明实验平台的工作流程如下：首先，确定气流组织形式，开关模拟舱空调管道系统中相应的调节阀门，布置好舱内的暖体假人并接通调压装置。然后开启恒温室空调系统和模拟舱空调系统。利用计算机软件平台，根据实验风量的要求调节模拟舱空调机组的风机频率，根据工况要求调节相应温度参数。等待恒温室室温、模拟舱空调送风温度和排风温度的监控数据达到稳定时，开始进行座舱环境的实验测量。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种半透明大型客机座舱环境仿真实验平台，包括恒温室，其特征在于，所述恒温室中设有半透明客机座舱环境模拟舱，还包括恒温室空调系统、模拟舱空调系统、实时数据采集和监控系统；

所述半透明客机座舱环境模拟舱的中间部分和正面舱壁采用高透光性材料，所述半透明客机座舱环境模拟舱设有多种仿真风口，用以仿真实现现代客机座舱的真实送风状态，多种仿真风口为可拆卸更换型；所述半透明客机座舱环境模拟舱地板上通过安装导轨连接有客机座椅，用以还原真实客机座舱内的空间结构；所述半透明客机座舱环境模拟舱内还设有暖体假人，用以模拟真人各部位的显热散热；

所述恒温室空调系统由恒温室空调机组和恒温室空调管道系统构成，所述恒温室空调系统用于控制模拟舱外恒温室室温，所述恒温室空调系统的温度控制精度为±1℃，通过调节恒温室室温用以仿真实现飞机在巡航或地面停机状态下客舱内壁面的温度边界条件；

所述模拟舱空调系统由模拟舱空调机组和模拟舱空调管道系统构成，所述模拟舱空调管道系统与所述半透明客机座舱环境模拟舱的仿真风口相连，用于实现模拟舱恒温送风以及仿真实现多种气流组织形式，所述模拟舱空调系统的温度控制精度为±0.5℃，最大送风量至少能达到10L/(s·人)；

所述实时数据采集和监控系统由传感器、信号调理模块、数据采集模块和远程计算机组成，所述实时数据采集和监控系统实时调控的参数至少包括：恒温室室温、恒温室空调送风温度、模拟舱舱内温度、模拟舱送风温度、模拟舱排风温度和模拟舱实际送风风量。

2.根据权利要求1所述半透明大型客机座舱环境仿真实验平台，其中，所述多种气流组织形式包括客舱侧壁送风口送风、客舱顶部送风口送风、客舱顶部和侧壁送风口同时送风、客舱过道地板送风口和回风口分别送风、客舱过道地板送风口和回风口同时送风。

3.根据权利要求1所述半透明大型客机座舱环境仿真实验平台，其中，所述传感器实时监测所述恒温室空调系统的送风温度和恒温室室温以及所述模拟舱空调系统的送风温度、排风温度和所述半透明客机座舱环境模拟舱内空气温度。

4.根据权利要求1所述半透明大型客机座舱环境仿真实验平台，其中，所述信号调理模块将由传感器测量的信号调理成标准信号再由数据采集模块将其转换成数据并在远程计算机的软件平台中显示，所述软件平台根据监控数据结果对实时调控的参数进行采集和调节。