国家自然基金标书-大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究.DocVIP

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 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。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。 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 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.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 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