大型客机座舱内空气环境控制的关键科学问题研究

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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：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，基于数值模拟方法、实验测量

2、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

3、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。

4、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.座舱环境多场耦

5、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

6、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

7、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评估准则不仅验证

8、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。围绕座舱环境多场耦合

9、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法，包括 分析和

10、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，进行反向模拟方 程稳定性和误

11、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理，探讨荷电过滤

12、、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：首先通过座舱空气动力学计算求解舱

13、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；确保我国大型客机在国

14、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) 揭示座舱多尺度

15、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系统提供技术支撑

16、，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名国家级人才计划获

17、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模型理论；在此基

18、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，如图3所示，传统

19、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，直接根据目标环境参数反向求解所

20、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：原理创新图4

21、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、温度）和座舱材

22、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。发展窗口嵌入网格技术，生

23、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污染物产生过程机

24、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型，评估乘员周围

25、微环境空气非定常变化规律；结合人体发热模型，利用高精度温度传感器、热线测速、TRPIV测量座舱人体微环境流动时空特征，建立空气质量和动态热环境舒适性实验指标评估模型。建造1：1实体尺寸的七排座模拟舱，开展局部座舱环境模拟实验，利用高精度温度传感器、热线测速、TRPIV，测量大型客舱局部多断面二维气流组织及湍流环境的详细信息，验证湍流模型和模拟方法的准确性。利用零浮力充氦气泡，发展三维粒子跟踪测速仪VPTV，测量含有发热模型人体MD-82实验舱内的三维气流组织，应用超声波速度仪，丰富座舱下部流场数据，进一步验证湍流模型和模拟方法的准确性。利用示踪气体模拟化学污染物，利用各种直径的颗粒物模拟生物污

26、染物，结合上述人体微环境、七排座模拟舱、MD-82实验舱，测量生化污染物在客舱环境中的传输和扩散过程，实验验证课题（1）和（2）的结果。（4）座舱环境设计参数体系与适航标准的符合性验证方法利用MD-82实验平台模拟各种污染物释放过程和方式，采集实际运行航班的数据，通过问卷调查，形成最佳座舱环境空气质量设计参数。利用MD-82实验平台营造不同的座舱环境，筛选不同背景的旅客，对不同座舱热环境进行主观评估；参照课题（1）计算数据，对比在实际运行航班问卷调查成果，准确测量旅客微环境的热环境参数，提出客观热环境参数；参照环控系统运行费用，形成最佳座舱环境热舒适设计参数。总结环境因素（新风量、臭氧、二氧化

27、碳、压力、温度、湿度等）与乘客和机组人员健康的关系，综合并提炼关键环境指标，剖析适航有关要求及潜在的发展趋势。通过建立部件功能实验、地面实验、飞行实验以及相似性推断，提出验证适航标准的模拟、实验和缩比相似准则数的分析方法。（5）座舱环境多场耦合反向设计基本原理运用准可逆和伪可逆方法求解实现理想座舱环境所需的热、流体边界条件。运用贝叶斯概率理论，排除不可能实现的反向设计，辨识出理想的反向设计，增加准可逆方法求解反问题的解算数值稳定性。根据Tikhonov辨识原理限制求解的边界，改变扩散项为四阶项，发展类似于纳维-斯托克斯方程的非病态逆向计算流体力学模型，解决逆方程的多解性与稳定性问题，利用最小二

28、乘法寻找满足条件的最优解。运用卷积定理突破扩散传播的非线性特征瓶颈，获得逆向空气温度场和有害物浓度场分布，进而实现座舱环境的反向设计。利用课题（1）和（3）获得的不同尺度的流动和不同物理参数的精确数据进行实验验证，提出不同尺度、不同物理参数的反向模拟耦合策略。（6）座舱环境控制系统全飞行状态的动态调节机理基于电动增压引气和发动机引气设计差异，模拟电动增压系统在不同飞行高度下的增压过程，寻找压气机与电动机的功率匹配方法。分析电驱动增压气源与机载制冷系统的热力学过程，研究气源与制冷系统的匹配方法。建立环控系统和座舱的动态热、流体相互影响过程，研究环控系统的工作特性与座舱压力制度之间的耦合控制问题以

29、及座舱送风量和舱内空气品质之间的关系。研究先进的空气净化技术（如荷电过滤、等离子氧化、光催化、紫外线、离子交换树脂、高效玻纤过滤）在环控系统里对生化污染物的过滤机理，揭示有效的经环控系统进入座舱内发动机油污染和微生物的消除原理，提出新型的多功能空气净化系统的设计概念。l 本研究工作的特色和创新性（1）相对于大型客机研制这一高新技术的复杂系统，本项目提出的新环控系统概念技术（包括节能环保的环境控制系统和高效的空气过滤系统）不仅是国际著名飞机制造商（如波音）目前最为关注的关键技术，也是我国研发大型客机时最有可能取得突破的系统技术。本项目的基础研究可以促进我国研发具有自主知识产权的新型环境控制系统。

30、（2）相对于目前欧美的座舱空气环境的局部模拟技术，本项目将耦合多尺度的空气流动和污染物传递的整架飞机空气环境准确数值方法，通过对该数值的准确验证，极大丰富并完善半封闭空间的流体力学湍流理论，该方法将在技术上完全或大部分代替实验评估座舱环境设计，大大提高未来座舱环境评估效率。（3）相对于当前假设各种设计条件，利用计算流体力学做多次模拟来获得较好的座舱环境设计；本项目提出座舱环境的多场耦合反向设计原理与方法，可以一次性成功地设计安全、健康、舒适的空气环境和相应的节能环保型环境控制系统。流动的反向设计在科学层面上是对基础科学理论的发展和创新，在技术层面上是由理论向设计转化的关键，有重要的应用前景和科

31、学意义。（4）相对于我国在座舱内空气环境适航标准发展上的空白，本项目的研究成果将为我国的适航设计、审定和验证技术提供依据和理论支持。（5）引进具有国际领先研究水平的领军人才，建立高水平的整机座舱空气环境研究平台；整合国内多家研究单位的研究力量，形成多学科交叉融合的研究队伍；通过与波音和空客等大型客机制造商的实质性合作开展前瞻性研究，使本项目针对关键科学问题的整体研究水平达到国际先进。l 可行性分析：（1）上述的学术思路、研究内容、技术途径是为解决国家重大需求问题而确定的，研究内容是基于美国联邦航空管理局客机座舱环境研究中心和欧盟FP5、FP6、FP7相关项目已知的成果上，充分吸取国外在该领域失

32、败的教训（如欧盟建了两次失败的实验室的教训），抓住最重要的两个关键科学问题，提出最紧迫的6个研究课题。（2）本项目的技术路线和实施方案也是建立在对国内外研究现状与发展趋势深入分析的基础上提出的。虽然本项目综合交叉性强、涉及的学科专业多、研究难度大，但在项目组成员前期相关工作积累和先进技术平台支撑下，在一支非常优秀的研究队伍的努力下，有望经过深入系统的研究取得重大突破，达到预期目标（3）本项目的研究梯队一直从事该领域的国际领先或前沿研究工作，在理论及方法上具有突出的优势，能够自主创新地提出座舱环境新理论、新方法、新概念、新原理、新系统。他们和本项目承担单位与美国、德国、英国、法国、丹麦等国家在这

33、一领域的大学和研究单位保持着实质性的合作关系，获得波音公司的资助并正在与波音、空客等国外制造商和一级供应商商讨建立国际工程研究中心，因此本项目具有良好的国际合作环境。l 课题设置依据本项目所要解决的技术瓶颈、关键科学问题和预期目标，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，设立了（1）座舱空气非定常流动特征及数值模拟策略、（2）低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律、（3）座舱空气质量与热舒适的系统实验评估准则三个研究课题。围绕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关键科学问题，设立了（4）座舱环境设计参数体系与适航标准的符合性验证方法、（5）座舱环境

34、多场耦合反向设计基本原理、（6）座舱环境控制系统全飞行状态的动态调节机理三个研究课题。课题（1）“座舱空气非定常流动特征及数值模拟策略”是解决第一个科学问题的关键，有了数值模型，课题（2）“低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律”可以评估固体产生的污染物（如VOC）和化学反应产生的污染物对人体的危害。课题（3）“座舱空气质量与热舒适的系统实验评估准则”的结果不但可以验证课题（1）数值模型的准确性，最重要的是它能利用不同尺度的实验方法来客观地评估空气质量和热舒适环境以及不同尺度间数据的耦合准则问题。把实验与数值模拟分开，增加研究的难度，但结果更客观。课题（5）“座舱环境多场耦合反向设计基本原

35、理”是解决第二个科学问题的关键。课题（4）“座舱环境设计参数体系与适航标准的符合性验证方法”不仅为反向设计提供参数，而且为如何实现适航标准符合性提供分析依据。从根本上解决座舱环境问题需要依靠客机环境控制系统来完成，这是课题（6）“座舱环境控制系统全飞行状态的动态调节机理”的主要任务。前3个课题为后3个课题提供科学数据，后3个课题为前3个课题的问题提出解决方法。图5显示了这6个课题间的关系。图5 课题之间的关系六个课题具体研究内容与研究目标如下。课题1：座舱空气非定常流动特征及数值模拟策略1研究内容：（1）低雷诺数复杂非定常流动高效数值求解原理：研究适合复杂外形不可压缩粘性流动的求解算法，解决热

36、浮力效应和低雷诺数效应导致的高数值刚性困难，探讨强隐格式和提高求解效率的多重网格技术及非定常时间推进方法。（2）热浮力影响下低雷诺数高湍流度流动的湍流模型和湍流模拟策略：发展舱内复杂流动的LES亚格子模型，探索舱内复杂流动的DES方法（RANSLES的混合策略，合理混合尺度研究），分析舱内湍流结构与机理，研究相应的雷诺应力湍流模型。（3）座舱复杂多尺度几何空间网格生成方法：研究座舱复杂空间的网格，评估座舱复杂空间各部位网格尺度，研究复杂部件网格自动生成技术、智能窗口划分技术、多尺度网格界面技术。（4）喷嘴座排区全舱多尺度高效模拟策略：分析关键流动尺度，对比各尺度规模的流场模拟数值实验与实验测量

37、数据，探索适应不同规模模拟的重复周期边界条件技术和多尺度间的耦合方法。2研究目标：揭示座舱空气非定常流动的关键机理，建立数学物理模型，提出湍流模型，建立从网格生成到流场求解的数值仿真方法体系，为生化污染物的传播运输研究及座舱环境设计提供分析基础和流场数据。培养博士后3名，博士7名，硕士12。在国内外重要期刊发表学术论文25篇，其中三大检索80%以上。课题承担单位：课题负责人：学术骨干：经费比例：清华大学、天津大学何枫罗纪生、刘正先、姚朝晖、张锡文14.47%课题2：低压座舱内多种污染物产生和扩散的非线性规律1研究内容：（1）座舱内复杂气流和环境参数对各种污染物的影响机理：研究座舱特殊空气流动和

38、环境参数（如压力、温度、湿度）及其动态变化对座舱材料、设备等产生的气态污染物（如挥发性有机物VOC）以及乘员通过咳嗽、呼吸和打喷嚏等产生的飞沫气溶胶的影响机理，研究上述污染物在座舱内散发、吸附、沉降和再悬浮过程并建立数学模型。（2）座舱内污染物间的化学反应原理：通过实验室和MD-82实验舱，研究座舱内臭氧与挥发性有机物、舱体材料和设备、人体衣物等发生化学反应的过程及其产生的副产物；研究计算这些污染物在座舱内传播所需的边界条件。（3）座舱中多种污染物的非线性输运扩散过程模拟仿真：建立预测座舱内多种污染物传输和扩散的非线性数学模型，模拟预测飞机不同飞行阶段（包括起飞、巡航、降落）座舱内空气污染物的

39、分布及其动态特性，研究各种有害物在座舱内传播与在人体内传播的多尺度关系和相互作用机理。2研究目标：研究在座舱复杂气流和压力、温度、湿度等条件下舱体材料、舱内设备、用品、人体以及突发空气品质事故所产生的主要化学及颗粒污染物特性；获得座舱环境下由臭氧引起的化学反应产物的数量和种类；建立座舱内多种污染物的产生、传输、扩散和在人体内传播的精确模拟模型。培养博士后3名，博士4名，硕士6名。在国内外重要期刊发表学术论文23篇，其中三大检索80%以上。软件注册1项。课题承担单位：课题负责人：学术骨干：经费比例：清华大学杨旭东屠基元、J. Sundell、赵彬13.16%课题3：座舱空气质量与热舒适的系统实验

40、评估准则1研究内容：（1）人体周围空气质量和热舒适微环境的多场耦合实验评估准则：应用高时间分辨率粒子图像测速仪（TRPIV）、热线测速，高精度温度传感器，测量座舱中乘员产生的热羽流与环控系统送风散流器主流的相互作用形成的不稳定流动，测量狭小空间内湍流流动的特征。（2）座舱区域空气质量与热环境的精确系统实验原理：设计稳定的热边界条件，建立系统实验模拟方法，搭建环境舱，开展局部座舱环境模拟实验；应用粒子图像测速仪、热线测速、高精度温度传感器测量客舱宏观非定常气流组织和座位、人员、热源之间的相互作用形成的速度、温度和湍流度场，评估热舒适环境。（3）全客机实验平台座舱动态环境的实验测量方法：根据座舱内

41、材料和客机运行过程中产生可挥发性有机物的散发速率，确定实验模拟气态污染物的散发量原理。考虑飞机不同的运行状况，研究座舱里颗粒污染物的产生量。利用MD-82实验平台和大型粒子跟踪测速仪VPTV、示踪气体分析仪、空气动力学颗粒分布分析仪、高精度温度传感器等仪器，系统测量座舱不同剖面和长度方向上的非定常风速分布、示踪气体浓度分布、不同粒径的颗粒物浓度时空分布。通过不同尺度实验数据的耦合，综合评估空气质量和热舒适。2研究目标：揭示人体产生的热浮力与座舱环控系统射流的惯性力的相互作用机理；用全尺寸模拟舱获取高精度的二维流场的数据；获得MD-82实验舱的三维流场、温度场以及气态和固态颗粒物浓度场的数据。获

42、得空气质量和热舒适在不同尺度实验条件下的耦合评估准则。培养博士后2名，博士6名，硕士13名。在国内外重要期刊发表学术论文25篇，其中三大检索20篇以上。申请专利2项。课题承担单位：课题负责人：学术骨干：经费比例：天津大学、重庆大学刘俊杰李百战、葛宝臻、邾继贵、刘红18.42%课题4：座舱环境设计参数体系与适航标准的符合性验证方法1研究内容：（1）最佳空气质量设计参数的确定：结合MD-82实验平台和实际飞机测试，采集不同机型、不同飞行路线和高度的国内与国际航班的空气品质数据；对旅客进行问卷调查，研究环境空气质量与人体暴露的关系，确定合理的座舱空气质量设计参数。（2）热舒适设计参数的优化：利用MD

43、-82实验平台营造不同的座舱热环境，准确测量乘客和机组人员微环境的热环境参数；筛选不同背景的旅客对不同座舱热环境进行主观评估；对比实际运行航班问卷调查成果，利用课题1和3的数据，研究座舱环境与人体热舒适的关系，确定合理的座舱热舒适设计参数。（3）座舱环境适航指标体系的剖析和建立验证准则：回顾相关飞行事故/问题，确认影响座舱安全和健康的关键问题；研究解决座舱安全和健康问题的方法和途径；深层分析国外客舱环境适航指标体系及提出具有更高安全性和舒适性的适航标准的发展依据；研究相应的适航符合性验证方法及准则。2研究目标：揭示座舱里乘客和机组人员与环境的关系，建立大型客机座舱环境最佳空气质量和热舒适设计参

44、数；构建适航指标体系，提出适航验证分析方法。培养博士7名，硕士13名。在国内外重要期刊发表学术论文30篇，其中SCI/EI 21篇以上。申请专利3项。制定行业标准1项。课题承担单位：课题负责人：学术骨干：经费比例：中国商用飞机有限责任公司、中国民航大学、清华大学、北京航天航空大学辛旭东白杰、南国鹏、官颂、张曙光、朱颖心17.11%课题5：座舱环境多场耦合反向设计基本原理1研究内容：（1）逆向座舱环境模拟模型：利用准可逆方法将时间取反，研究逆向空气和生化污染物流动的输运方程，探讨如何将输运控制方程进行稳定处理的方法；利用伪可逆方法将流场取反，探索空气流动和污染物传播的复原过程。寻找满足限制求解的

45、边界条件的最优解，精确辨识创造最佳座舱环境须由环控系统提供的设计参数。（2）逆向座舱环境模型的科学验证：利用课题3的实验设备，研究在实际座舱环境中验证逆向模拟必须测量的环境参数及分布，分析传感器敏感度和位置带来的误差对验证的影响，采用双盲方法对逆向模拟进行科学验证。（3）多尺度流动反向模拟的策略与机理：研究逆向模拟不同尺度流场的多场耦合原理，探索减少逆向模拟所需计算机内存和速度的方法，建立逆向模拟解算过程稳定性的准则，寻找去伪存真逆向模拟结果的精确辨识方法。2研究目标：建立乘客和机组人员在座舱里最佳空气质量和热舒适微环境模型，发展空气质量和热环境的多场耦合反向模拟原理和模型，实验验证逆向座舱环

46、境模拟模型，确保逆向模拟结果的准确性和计算过程的稳定性与经济性。培养博士后5名，博士8名，硕士10名。在国内外重要期刊发表学术论文23篇，其中三大检索80%以上。出版专著1部。课题承担单位：课题负责人：学术骨干：经费比例：天津大学、大连理工大学陈清焰尤学一、翟志强、张腾飞、孙贺江21.05%课题6：座舱环境控制系统全飞行状态的动态调节机理1研究内容：（1）电驱动增压系统的优化原理：通过地面模拟实验，研究压气机、高速电机和动力涡轮的全高度工作特性和参数匹配；探索电驱动压缩机增压气源的关键技术，探讨减少对高速直流电机的功率要求和降低环境控制系统重量代偿的方法；研究电驱动增压技术和机载制冷循环的组合

47、与匹配方法，评估座舱排气功率回收的方法，降低环控系统代偿损失。（2）全飞行状态座舱环控系统的总体性能评估策略：研究环控系统动态特性的数学模型，解释不同飞行条件下环控系统与座舱压力和温度以及新风量等参数的相互作用；研讨环控系统与座舱排气之间的热量传递和功率回收的规律，解决环境控制系统的流量特性与座舱压力制度之间的耦合控制问题。（3）新型空气过滤机理与理论：研究座舱内生化污染物的过滤机理，探讨多种先进的空气净化技术（如荷电过滤、光催化、紫外线、离子交换树脂、高效玻纤过滤）在客机环控系统里应用的可能性和有效性，探索从根本上消除空气品质突发事件的高品质座舱空气净化系统所需的理论。2研究目标：发展以电动

48、增压气源为核心的节能环保型环境控制系统，揭示不同飞行状态下环控系统与座舱排气之间的耦合规律；揭示座舱里生化污染物的先进过滤机理，建立新型的多功能空气净化系统和环控系统。培养博士后2名，博士9名，硕士12名。在国内外重要期刊发表学术论文22篇，其中三大检索80%以上。申请专利7项。课题承担单位：课题负责人：学术骨干：经费比例：北京航空航天大学、天津大学杨春信谭欣、张兴娟、柯鹏、龙正伟15.79%四、年度计划研究内容预期目标第一年1. 进行有热浮力的热羽流的流动显示、速度场测试等模型实验研究，同时进行LES数值模拟，结合实验和计算结果建立对流湍流模型关系；2通过开展实际飞机座舱测试，获取座舱内主要

49、污染物现状，通过小型环境舱研究座舱材料污染物散发过程特性；3建立多尺度实验测试环境，包括搭建单人乘客封闭空间、七排座模拟舱，并完善MD82飞机座舱测试条件，开展低湿环境下人体对热环境参数的响应特性研究；4. 利用MD-82实验平台营造座舱环境，研究座舱关键环境参数演化的基础流动和传热问题，建立座舱环境事故评估模型；5评估各种反向模拟模型，建立座舱环境目标数学模型；6. 建设高压除水环控系统实验台并开展实验研究；制备光催化材料并建立荷电过滤标准实验台和新型精确荷电装置；1. 建立热浮力影响下对流湍流流场数学物理模型；2. 建立客舱内主要目标污染物清单，并认清座舱材料主要污染物的散发机理；3. 制

50、定个体、局部、全舱空气流动及相关人体热舒适测试方案，并完成实验测试系统的准备4. 提出座舱环境空气品质和热舒适性观评估方法；5. 建立乘客和机组人员在座舱里最佳空气质量和热舒适微环境模型；6. 具备模拟和测试高压除水环控系统的实验能力并获取组件特性；制备出光利用率高的TiO2光催化材料并建立精确荷电装置；7. 发表论文13篇；申请发明专利3项；8. 培养硕士8名。第二年1改善或开发有效模拟有热浮力的复杂非定常分离流流场特征的RANS湍流模型，并研究LES和RANS不同的混合方法策略；2开展颗粒物在座舱材料表面沉积特性及人员在低相对湿度条件产生的飞沫气溶胶动力学特性研究，及人体散热对人员污染物吸

51、入特征的影响分析研究；3利用PIV测量单人乘客热羽流及周围流场，准备局部及全尺寸座舱环境测试，开展人体热舒适实验研究；4. 采集座舱空气品质和通过问卷调查，分析航班座舱环境，分析不同状态ECS系统对关键座舱参数影响的理论模型和数值模拟方法，总结我国ARJ飞机的适航审定经验；5进行各种热舒适和空气质量设计的反向模拟并研究传感器特性；6. 通过实验研究发展减少高压除水环控系统功率要求和降低系统代偿损失的方法；优化光催化材料的最佳制备条件，实验研究不同荷电颗粒的沉积过程和传递机理。7. 项目中期总结，撰写中期报告。1建立热浮力影响下复杂非定常流动湍流模型和湍流模拟策略；2给出座舱内化学及颗粒污染源主

52、要散发和沉积机理，并建立相应数据库；3获得单人乘客热羽流、座椅及主流送风的场流动结构，瞬时流动状态及热舒适影响实验结果；4. 建立座舱环控的事故模拟仿真系统；5提出适合座舱环境的伪可逆和准可逆流场反向模拟原理；6. 高压除水环控系统的干/湿工况的对比实验结果；制备光催化材料的最优化参数以及荷电颗粒沉积特性与荷电量的定量关系；7. 发表论文26篇；申请发明专利3项；8. 培养博士后5名，博士4名、硕士13名；9. 项目中期报告。第三年1通过不同尺度或规模的流场模拟，完善RANS湍流模型和LES和RANS合理匹配的方法，并采用多重网格技术、改进时间推进方法等措施提高数值模拟方法的稳定性和收敛性；2

53、开展不同座舱环境参数条件下污染物产生、沉积、传输、及人体内传播特性的研究，及通过小型环境舱开展座舱环境下多化学反应特征分析；3分析七排座环境舱满员，半满员等多种状态下气流及气态污染物运动状态，及局部座舱环境中人体热舒适实验研究；4. 总结影响座舱空气品质分布规律，研究气流分布和温度分层对热舒适的影响，评估环控系统状态对座舱环境参数的影响；5探讨反向模拟的唯一性、存在性、稳定性并获取多参数场的实验数据；6. 研究电驱动增压技术和机载制冷循环的性能匹配关系；开展光催化降解目标污染物实验，实验研究荷电颗粒在高效过滤器（HEPA）上的沉积规律和电荷传递机理；1确定热浮力影响下复杂非定常分离流稳定高效的

54、数值求解方法和完善湍流模拟策略；2揭示不同环境参数对污染物产生、沉积、传输的影响机理，建立座舱内臭氧化学反应原理模型；3获得座舱局部区域流场多种条件下二维流场的瞬时流动状态实验结果及其对乘客热舒适的影响；4. 建立座舱环控系统安全性评估模型，开发座舱环控系统安全性评估系统；5确保逆向模拟结果的准确性和计算过程的稳定性与经济性；6. 高压除水环控系统的多学科优化设计方法；光催化材料的活性测试结果以及荷电颗粒沉积后的消逝模型；7. 发表论文34篇；申请发明专利3项；8. 培养博士后5名，博士7名、硕士16名。第四年1对座排空间量级尺度初步进行流动数值模拟，并研究在何种计算规模下可应用周期性边界条件

55、技术，以提高大规模计算的效率；2开展多尺度条件下污染物扩散模拟预测分析，及污染物的健康影响机理研究；3测试多种飞行状态下，MD82飞机全尺寸座舱气流温度场，流场，污染物场及人体热舒适特性；4. 总结环境因素与乘员健康的关系，研究座舱环境空气质量的适航符合性验证技术，提出符合性评判准则，提出座舱特殊环境下的热舒适评价指标；5研究多参数耦合方法以及传感器误差对反向模拟的影响；6. 仿真研究环控系统工作参数与座舱环境参数的相互作用；研究典型目标污染物的光催化降解反应机理以及脉冲电晕荷电情况下的过滤过程。1建立不同数值模拟计算尺度边界参数的衔接技术和数学物理模型；2建立座舱-人体-呼吸道一体化模拟预测

56、模型，提出座舱内污染物的健康影响评价方法；3获得不同乘员密度情况下全舱复杂多尺度流动实验数据及流场信息和乘客热舒适影响因素；4. 综合并提炼关键座舱环境参数指标；5发展空气质量和热环境的多场耦合反向模拟原理和模型；6. 新型环控系统的多学科优化设计方法；低浓度目标污染物的光催化降解过程和动力学方程；脉冲放电条件下荷电颗粒的过滤机理；7. 发表论文36篇；申请发明专利2项；8. 培养博士后3名，博士14名、硕士14名。第五年1对区/舱空间量级尺度进行流场数值模拟，对流场基本信息进行分析，获取空气流动规律、热分布和被动标量在湍流中的输运特性和规律；2座舱内多种污染物的产生、传输、扩散和在人体内传播

57、的数值模拟研究，及验证分析；3对比局部与整体座舱环境多尺度实验数据及评估不同尺度下对乘客健康舒适影响；4. 探索提高座舱空气质量的同时降低环控系统运行费用的途径和方法，提出具有更高安全性和舒适性的适航标准修订建议；5确定反向模拟的主要影响参数，完成客舱气流组织设计的逆向模拟，并进行实验验证；6. 研究环控系统与座舱之间的能量传递规律和压力耦合问题；研发机舱空气的光催化净化系统和荷电高效过滤器。7. 项目结题总结，撰写项目结题报告。1确立不同尺度流场合理的数值模拟策略并提供流场特征分析，为生化污染物的传播运输研究及座舱环境设计提供分析基础和流场数据；2建立座舱内多种污染物的产生、传输、扩散和在人体内传播的模拟仿真平台；3获得座舱弱湍流物理特征实验准则并利用实验方法优化健康与舒适座舱气流组织；4. 建立座舱环境设计参数体系；5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；6. 全飞行状态下环控系统和座舱之间的能量转化规律和压力控制方法；可高效降解机舱内污染物的光催化净化系统装置；7. 发表论文39篇；申请发明专利1项；提出1项行业标准；申报飞机座舱空气质量模拟仿真软件软件注册1项。8. 培养博士后2名，博士16名、硕士15名；9.全面实现预定的其他目标。