Разработка имитационной модели системы вентиляции и рециркуляции пассажирского самолета

В процессе проектирования систем жизнеобеспечения летательных аппаратов ключевую роль играет оценка распределения примесей и влажности в пассажирском салоне. Данная работа посвящена созданию имитационной модели системы вентиляции и рециркуляции воздуха, ориентированной на анализ динамики накопления CO₂ и водяного пара. Модель воспроизводит геометрические и расходные характеристики салона самолёта типа Superjet 100 при фиксированном температурном поле 23°C.

Структура модели и параметры

Геометрическая часть модели представляет салон как последовательное соединение восемнадцати объёмов (Constant Volume Chamber) по каждый, с проходным сечением между рядами .

Резервуар на входе моделирует уже подготовленный для салона воздух, поэтому имеет относительную влажность 30%, начальную массовую долю CO₂ равную 0.0004 и температуру 23°C.

Источники примесей в каждой камере имитируют жизнедеятельность ряда из четырёх пассажиров: массовая доля CO₂ составляет 0.0004 отн. ед., интенсивность влаговыделения — 0.04 г/с. Подача свежего воздуха осуществляется насосом 0.3 кг/с, вытяжной насос имеет тот же расход. Рециркуляционный контур (30%) реализован насосом 0.09 кг/с с возвратом потока на вход.

Тепловая модель упрощена — температура воздуха в каждом ряду кресел (в каждом контрольном объеме) считается стабилизированной на уровне 23°C.

engee.open( "$(@__DIR__)/" * "cabin_air_recirculation_model.engee");

После источников температуры добавлены демпфирующие блоки конвекции с очень большой теплопроводностью.

Помимо этого у всех насосов отключены модели учета изентропической работы, чтобы при прокачивании они не рассчитывали нагревани воздуха.

Результаты моделирования

Получим данные об исполнении модели:

data = engee.run( "cabin_air_recirculation_model" );

И построим графики:

co2_content = collect(data["Примеси"]);
humidity = collect(data["Влажность"]);

plot(
    plot( co2_content.time, reduce(hcat, co2_content.value)', title="Содержание СО₂",
    label=["Ряд 1" "Ряд 6" "Ряд 10" "Ряд 14" "Ряд 18"], lw=3, xlabel="Время, с", ylabel="Массовая доля CO2"),
    plot( humidity.time, reduce(hcat, humidity.value)', title="Влажность в салоне", label=false, lw=3,
    xlabel="Время, с", ylabel="Относительная влажность"),
    guidefont=font(8)
)

Моделирование на интервале 10 000 секунд (примерно 2.8 часов) показало выход концентрации CO₂ на стационарный режим после 2000 с.

Массовая доля CO₂ перед первым рядом стабилизировалась на уровне 0.00076 (0.76 г/кг), после восемнадцатого ряда — 0.0015 (1.5 г/кг), что соответствует объёмной концентрации 0.1% и находится в пределах санитарных норм.

Относительная влажность в системе достигла 30% в первом ряду и 27% в последнем, что подтверждает адекватность выбранных интенсивностей влаговыделения.

Заключение

Созданная имитационная модель системы вентиляции и рециркуляции позволяет прогнозировать газовый состав в пассажирском салоне с приемлемой для инженерных задач точностью. Интерес разработки заключается в возможности исследования различных сценариев (изменение числа пассажиров, доли рециркуляции, параметров системы кондиционирования) без затрат на натурные эксперименты. Предложенная формула даёт консервативную оценку ожидаемых концентраций и может использоваться для предварительного проектирования систем обеспечения газового состава.