《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》是天津大學於2013年7月12日申請的專利，該專利的公布號為CN103365216A，授權公布日為2013年10月23日，發明人是劉俊傑、曹曉東、陳元益、裴晶晶。
《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》公開了一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台，包括恆溫室，所述恆溫室中設有半透明客機座艙環境模擬艙，還包括恆溫室空調系統、模擬艙空調系統、實時數據採集和監控系統。半透明模擬艙及內部座椅均按照真實客艙尺寸1:1進行設計安裝。模擬艙內設有暖體假人，用以模擬真人顯熱散熱。模擬艙安裝有多種類型的仿真風口，拆卸更換方便。開關閥門可以更改模擬艙的氣流組織形式。利用恆溫室和模擬艙的兩套空調系統，可以實現多種實驗工況。利用計算機軟體平台，可以實現實時數據監測和控制。該發明能夠充分利用PIV技術獲得客艙內的流場，同時可實現多種客艙氣流組織形式。實驗過程中工況穩定，溫度和送風量調控準確。
2020年7月14日，《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台
- 申請人：天津大學
- 申請日：2013年7月12日
- 申請號：2013102938708
- 公布號：CN103365216A
- 公布日：2013年10月23日
- 發明人：劉俊傑、曹曉東、陳元益、裴晶晶
- 地址：天津市南開區衛津路92號
- Int. Cl.：G05B17/02(2006.01)I
- 代理機構：天津市北洋有限責任專利代理事務所
- 代理人：李麗萍
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著科技和民航事業的發展，客機作為提供高速快捷的公共運輸服務的交通工具，逐漸成為大眾化的出行方式。2013年前全世界每年有超過20億人選擇乘坐飛機出行，並且這個數字還將不斷增加。隨著空乘旅客數量的不斷增加，由乘坐飛機所帶來的問題也將不斷攀升。國際航班大大增加了傳染性疾病在國際間迅速傳播的機會，世界衛生組織（WHO）指出2003年SARS傳播至世界5大洲的26個國家和2009年甲型流感傳播至世界6大洲的214個國家的主要原因是客機充當了傳播的載體，這也引起了人們對大型客機座艙環境中傳染性疾病傳播的高度重視。另據報導，在國際航班中約有50%的人會出現不適症狀，並且有5%的人需要特殊的醫療救助（Leder et al.Internal Medicine Journal,2005,35（1）:50-55.）。因此，如何營造一個安全、健康和舒適的客艙環境以保障乘客和機組人員的生命安全、身體健康和舒適就顯得尤為重要。而研究客機座艙空氣環境尤其是座艙內的氣流組織和污染物的傳播規律是解決這一問題的科學基礎，這也是中國研發製造國產大型客機，實現座艙環境控制研究領域跨越式發展需要解決的關鍵科學問題。
2013年前國際上研究客艙環境最可信的方法是利用模擬艙進行實驗研究。一些國外學者曾經搭建過包括Boeing767（Zhang,et al.2009.Experimental and numerical investigation of air flow and contaminant transport in an airliner cabin mockup.Building and Environment,44（1）:85-94）、Airbus380（Bosbach,et al.2006.Experimental and numerical simulations of turbulent ventilation in aircraft cabins.Energy,31（5）:694-705）以及簡化座艙（Poussou,et al.2010.Flow and contaminant transport in an airliner cabin induced by a moving body:model experiments and CFD predictions.Atmosphere Environment,44:2830-2839）的環境模擬艙。但這些模擬艙在套用上都存在一定缺陷：（1）大多數模擬艙外壁是不透明的，只能套用嵌入式的流場測量工具（超音波風速儀等），其本身對艙內的流場有影響。（2）部分透明模擬艙的可以套用非嵌入式的粒子成像測速技術（PIV），但其測量區域一般受到明顯限制，並且基本是沒有暖體假人和座椅的空艙工況。（3）2013年之前的的模擬艙只是針對某一機型進行設計，無法進行不同機型客艙內氣流組織形式的對比研究。（4）2013年之前的客艙仿真實驗平台並沒有考慮模擬艙外部環境的精確控制，邊界條件的穩定性和可調控性較低。因此，需要進一步開發設計適應性和可控性更強的客艙環境仿真實驗平台。
發明內容
專利目的
《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》提供一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台。該實驗平台可以滿足座艙熱邊界及初始條件仿真適應性，可控性，準確性及精細測量的需要。可以進行非嵌入式的粒子成像速度測量（PIV）、污染物濃度採樣測量以及溫度場測量，為計算流體力學（CFD）數值計算提供可靠的邊界條件和高質量的對比驗證實驗數據。
技術方案
《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台，包括恆溫室和設定在所述恆溫室中的半透明客機座艙環境模擬艙、恆溫室空調系統、模擬艙空調系統、實時數據採集和監控系統；所述半透明客機座艙環境模擬艙的中間部分和正面艙壁採用高透光性材料，所述半透明客機座艙環境模擬艙設有多種仿真風口，用以仿真實現現代客機座艙的真實送風狀態，多種仿真風口為可拆卸更換型；所述半透明客機座艙環境模擬艙地板上通過安裝導軌連線有客機座椅，用以還原真實客機座艙內的空間結構；所述半透明客機座艙環境模擬艙內還設有暖體假人，用以模擬真人各部位的顯熱散熱；所述恆溫室空調系統由恆溫室空調機組和恆溫室空調管道系統構成，所述恆溫室空調系統用於控制模擬艙外恆溫室室溫，所述恆溫室空調系統的溫度控制精度為±1℃，通過調節恆溫室室溫用以仿真實現飛機在巡航或地面停機狀態下客艙內壁面的溫度邊界條件；所述模擬艙空調系統由模擬艙空調機組和模擬艙空調管道系統構成，所述模擬艙空調管道系統與所述半透明客機座艙環境模擬艙的仿真風口相連，用於實現模擬艙恆溫送風以及仿真實現多種氣流組織形式，所述模擬艙空調系統的溫度控制精度為±0.5℃，最大送風量至少能達到10升/（秒·人）；所述實時數據採集和監控系統由感測器、信號調理模組、數據採集模組和遠程計算機組成，所述實時數據採集和監控系統實時調控的參數至少包括：恆溫室室溫、恆溫室空調送風溫度、模擬艙艙內溫度、模擬艙送風溫度、模擬艙排風溫度和模擬艙實際送風風量。
進一步講，《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台，其中，所述多種氣流組織形式包括客艙側壁送風口送風、客艙頂部送風口送風、客艙頂部和側壁送風口同時送風、客艙過道地板送風口和迴風口分別送風、客艙過道地板送風口和迴風口同時送風。
所述感測器實時監測所述恆溫室空調系統的送風溫度和恆溫室室溫以及所述模擬艙空調系統的送風溫度、排風溫度和所述半透明飛機座艙環境模擬艙內空氣溫度。
所述信號調理模組將由感測器測量的信號調理成標準信號再由數據採集模組將其轉換成數據並在遠程計算機的軟體平台中顯示，所述軟體平台根據監控數據結果對實時調控的參數進行採集和調節。
改善效果
與2013年之前的技術相比，《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》的有益效果是：
模擬艙及內部座椅均按照真實客艙尺寸1:1進行設計安裝，可以保證測量幾何空間對實際客艙的再現。模擬艙內可採用傳統的點測量儀器進行速度場、濃度場和溫度場的測量。同時，部分艙壁採用透明設計，能夠充分利用非嵌入式的PIV技術獲得客艙內的瞬時流場。
安裝有多種類型的仿真風口，且拆卸更換方便。送迴風管道外有保溫層，保證送風溫度的穩定，密封性好。利用調節閥門，可以對送風管道和迴風管道進行調整切換，實現多種真實客機座艙內的氣流組織形式，以及研究新型氣流組織形式。
利用恆溫室和模擬艙的兩套空調系統，可以實現實驗平台多樣性的熱工邊界條件設定，滿足多種實驗工況需求。利用PID反饋調節對空調系統的運行工況進行精確調控，保證實驗過程中邊界條件的穩定性。
該實驗平台利用計算機軟體平台進行實時數據監測和自動化控制，工況參數調控快捷準確。
該實驗平台具有可開發性，不僅適用於開展客機座艙環境的基礎實驗研究，還可以用於相關學科的教學實踐或展示。
附圖說明
圖1是《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》實驗實驗平台系統組成分解示意圖；
圖2是《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》實驗平台半透明模擬艙外觀尺寸圖；
圖3是《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》實驗平台半透明模擬艙截面尺寸圖；
圖4是《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》實驗平颱風管和調節閥門布置俯視圖；
圖5是《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》實驗平颱風管和調節閥門布置側視圖；
圖6是《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》實驗平颱風管和調節閥門布置主視圖。
技術領域
《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》涉及客機座艙環境實驗研究,具體涉及客機座艙氣流組織特性、污染物傳播和乘客熱舒適等相關實驗研究。
權利要求
1.一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台，包括恆溫室，其特徵在於，所述恆溫室中設有半透明客機座艙環境模擬艙，還包括恆溫室空調系統、模擬艙空調系統、實時數據採集和監控系統；
所述半透明客機座艙環境模擬艙的中間部分和正面艙壁採用高透光性材料，所述半透明客機座艙環境模擬艙設有多種仿真風口，用以仿真實現現代客機座艙的真實送風狀態，多種仿真風口為可拆卸更換型；所述半透明客機座艙環境模擬艙地板上通過安裝導軌連線有客機座椅，用以還原真實客機座艙內的空間結構；所述半透明客機座艙環境模擬艙內還設有暖體假人，用以模擬真人各部位的顯熱散熱；
所述恆溫室空調系統由恆溫室空調機組和恆溫室空調管道系統構成，所述恆溫室空調系統用於控制模擬艙外恆溫室室溫，所述恆溫室空調系統的溫度控制精度為±1℃，通過調節恆溫室室溫用以仿真實現飛機在巡航或地面停機狀態下客艙內壁面的溫度邊界條件；
所述模擬艙空調系統由模擬艙空調機組和模擬艙空調管道系統構成，所述模擬艙空調管道系統與所述半透明客機座艙環境模擬艙的仿真風口相連，用於實現模擬艙恆溫送風以及仿真實現多種氣流組織形式，所述模擬艙空調系統的溫度控制精度為±0.5℃，最大送風量至少能達到10升/（秒·人）；
所述實時數據採集和監控系統由感測器、信號調理模組、數據採集模組和遠程計算機組成，所述實時數據採集和監控系統實時調控的參數至少包括：恆溫室室溫、恆溫室空調送風溫度、模擬艙艙內溫度、模擬艙送風溫度、模擬艙排風溫度和模擬艙實際送風風量。
2.根據權利要求1所述半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台，其中，所述多種氣流組織形式包括客艙側壁送風口送風、客艙頂部送風口送風、客艙頂部和側壁送風口同時送風、客艙過道地板送風口和迴風口分別送風、客艙過道地板送風口和迴風口同時送風。
3.根據權利要求1所述半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台，其中，所述感測器實時監測所述恆溫室空調系統的送風溫度和恆溫室室溫以及所述模擬艙空調系統的送風溫度、排風溫度和所述半透明飛機座艙環境模擬艙內空氣溫度。
4.根據權利要求1所述半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台，其中，所述信號調理模組將由感測器測量的信號調理成標準信號再由數據採集模組將其轉換成數據並在遠程計算機的軟體平台中顯示，所述軟體平台根據監控數據結果對實時調控的參數進行採集和調節。
實施方式
如圖1所示，《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台包括恆溫室和設定在所述恆溫室中的半透明客機座艙環境模擬艙1、恆溫室空調系統2、模擬艙空調系統3、實時數據採集和監控系統4。
所述半透明客機座艙環境模擬艙1用於仿真實現客機座艙的幾何結構，它根據真實客機座艙結構、按照1:1尺寸進行設計。所述半透明模擬艙的外觀尺寸如圖2所示：環境艙整體長度為5.8米、中間透明部分長度為2.56米、艙體地板寬度為3.25米、艙體最大寬度為3.53米、艙體高度為2.15米。艙體被置於長5.8米、寬3.8米、高0.35米的抬高空間上。該空間充當了客機貨艙，當地板送風時則相當於一個靜壓箱以利於均勻送風。其中，中間部分和正面艙壁採用高透光性的材料以充分利用PIV技術獲得座艙內的瞬時流場。在模擬艙搭建選材上，透明部分艙壁推薦採用具有很好透光性和彎曲加工性的亞克力板材，非透明艙壁推薦採用鍍鋅鐵板。
為了仿真實現現代客機座艙的真實送風狀態，所述半透明客機座艙環境模擬艙1設有多種仿真風口以形成多種氣流組織形式，包括客艙側壁送風口送風、客艙頂部送風口送風、客艙頂部和側壁送風口同時送風；另外，為了研究下送上回氣流組織方式在客艙中的適用性，模擬艙還設計了客艙過道地板送風口和迴風口分別送風、客艙過道地板送風口和迴風口同時送風等多種送風形式。具體位置和尺寸如圖3所示：A為頂部送風口，設計為長條縫配合孔眼的形式，寬度為84毫米；B為兩側側壁送風口，設計為條縫形格柵的形式，寬度為90毫米；C為兩側迴風口，設計為多孔板的形式，寬度為62毫米；D為過道地板送風口，設計為多孔板的形式，寬度為250毫米。所有風口都設計為可拆卸更換型，可研究新型風口的適用性。不同的送風形式可以通過更改送風管道或迴風管道內的調節閥門來實現，圖4，圖5和圖6分別為該發明一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台中風管和調節閥門布置的俯視圖、側視圖和主視圖。其中，1為送風主幹管道、2為側壁送風管道、3為頂部送風管道、4為地板和迴風口送風管道、5為總排風管道、6為頂部排風管道、7為底部排風管道、8為半透明客機座艙環境模擬艙的透明部分、9為恆溫室。風管上的每對豎線表示各段風管之間的連線部位。在部分連線部位上裝有調節閥門：V1為頂部送風閥門、V2為兩側側壁送風閥門、V3為兩側地板和迴風口送風閥門、V4為頂部排風閥門、V5為底部排風閥門。該發明實驗平台的所述不同氣流組織形式可以通過開關相應閥門和調整風口實現：開啟兩側側壁送風閥門V2和底部排風閥門V5，關閉頂部送風閥門V1、兩側地板和迴風口送風閥門V3和頂部排風閥門V4，將過道地板送風口用蓋板封住，為客艙側壁送風口送風；開啟頂部送風閥門V1和底部排風閥門V5，關閉兩側側壁送風閥門V2、兩側地板和迴風口送風閥門V3和頂部排風閥門V4，將過道地板送風口用蓋板封住，為客艙頂部送風口送風；開啟頂部送風閥門V1、兩側側壁送風閥門V2和底部排風閥門V5，關閉兩側地板和迴風口送風閥門V3和頂部排風閥門V4，將過道地板送風口用蓋板封住，為客艙頂部和側壁送風口同時送風；開啟兩側地板和迴風口送風閥門V3和頂部排風閥門V4，關閉頂部送風閥門V1、兩側側壁送風閥門V2和底部排風閥門V5為客艙過道地板送風口和迴風口同時送風；開啟兩側地板和迴風口送風閥門V3、頂部排風閥門V4，關閉頂部送風閥門V1、兩側側壁送風閥門V2和底部排風閥門V5，將迴風口用蓋板封住，為客艙過道地板送風口送風；開啟兩側地板和迴風口送風閥門V3、頂部排風閥門V4，關閉頂部送風閥門V1、兩側側壁送風閥門V2和底部排風閥門V5，將過道地板送風口用蓋板封住，為客艙迴風口送風。
如圖1所示，所述恆溫室空調系統2用於控制模擬艙外恆溫室室溫，由恆溫室空調機組2-1和恆溫室空調管道系統2-2構成，室內空氣經過空調機組處理後由空調送風管道送出，從而維持座艙外部環境溫度恆定；要求溫度控制精度為±1℃，通過調節恆溫室室溫用以仿真實現飛機在巡航或地面停機狀態下客艙內壁面的溫度邊界條件。
所述模擬艙空調系統3用於實現模擬艙恆溫送風以及仿真實現多種氣流組織形式，由模擬艙空調機組3-1和模擬艙空調管道系統3-2構成，所述模擬艙空調機組3-1通過所述模擬艙空調管道系統3-2與所述半透明飛機座艙環境模擬艙1的仿真風口連線，所述模擬艙空調管道系統3-2的另一端直接與室外空氣相通；要求溫度控制精度為±0.5℃，最大送風量至少能達到10升/（秒·人）。
所述實時數據採集和監控系統4由感測器4-4、信號調理模組4-3、數據採集模組4-2和遠程計算機4-1組成，用以實現遠程監控空調機組的運行狀態，確保實驗工況的穩定。所述實時數據採集和監控系統實時調控的參數至少包括：恆溫室室溫、恆溫室空調送風溫度、模擬艙艙內空氣溫度、模擬艙送風溫度、模擬艙排風溫度和模擬艙實際送風量。所述感測器4-4實時監測所述恆溫室空調系統2的送風溫度和恆溫室室溫以及所述模擬艙空調系統3的送風溫度、排風溫度和所述半透明飛機座艙環境模擬艙1內空氣溫度。
所述信號調理模組4-3將由感測器4-4測量的信號調理成標準信號再由數據採集模組4-2將其轉換成數據並在遠程計算機4-1的軟體平台中顯示。所述軟體平台可以根據監控數據對溫度和送風量進行設定和實時採集。
所述半透明客機座艙環境模擬艙地板上通過安裝導軌連線有一套真實的客機座椅5，用以還原真實客機座艙內的空間結構；所述半透明客機座艙環境模擬艙內還設有暖體假人6，用以模擬真人各部位的顯熱散熱，暖體假人6安放於所述真實客機座椅5上。該暖體假人的製作可以用不同長度的熱電阻絲均勻纏繞在模特假人身體的各個部位。
《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》實驗平台的工作流程如下：首先，確定氣流組織形式，開關模擬艙空調管道系統中相應的調節閥門，布置好艙內的暖體假人並接通調壓裝置。然後開啟恆溫室空調系統和模擬艙空調系統。利用計算機軟體平台，根據實驗風量的要求調節模擬艙空調機組的風機頻率，根據工況要求調節相應溫度參數。等待恆溫室室溫、模擬艙空調送風溫度和排風溫度的監控數據達到穩定時，開始進行座艙環境的實驗測量。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種半透明大型客機座艙環境仿真實驗平台》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
