刘桐宇，刘伟波，徐 浩，尚文锦，臧华兵，冯红旗

(中国航天员科研训练中心，北京 100094)

1 引言

空间站睡眠区作为航天员休息的主要场所，内部气流组织的分布状况直接影响到通风换气效率，进而航天员的安全性与睡眠舒适性。与地面普通卧室不同，微重力环境中，空间站睡眠区内自然对流几乎消失，必须采用强迫通风对流，才能防止睡眠期间航天员口鼻区CO2蓄积，保证航天员健康和安全；空间站睡眠区空间狭小，必须优化空气流速和分布，才能保证航天员睡眠舒适性[1]。通常，为保证睡眠区空气质量，回风口均设置在睡眠区内航天员脚部附近[1-2]，由于回风口的位置相对固定，进风口的位置选择直接影响着睡眠区气流分布，进行数值仿真和优化分析十分必要。

目前对于空间站睡眠区的研究，国内学者付仕明等分析了空间站舱内空气在不同流量[3]和不同送风角度[3-4]等条件下的流场分布，建立了包括睡眠区在内的简化的三维空间站模型，并将其与两种送风角度下的流场进行对比。此外，付仕明等[5]还对故障模式下睡眠区CO2的聚集状态进行了研究。国外学者Chang等也对空间站睡眠区的CO2聚集现象进行了研究[6]，同时完成了包括睡眠区节点舱甚至整个空间站[7]的气流分布模拟研究，还分析了乘员舱的空气龄。

本文引入舒适速度比例、换气效率以及吹风感作为评价指标，进一步对睡眠区内部空气流场、以及航天员睡眠舒适性进行研究，为优化空间站睡眠区设计提供参考。

2 仿真模型和评价指标

2.1 物理模型

图1 睡眠区结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the crew quarter

本文所使用的睡眠区三维模型如图1所示。睡眠区的前面是门，后面是乘员舱的内弧面，侧方的平面作为航天员的“床”，睡眠区整体尺寸约：1.10 m×0.75 m×2.10 m(长、宽、高)。航天员在睡袋中休息，可将躯干和四肢可简化为0.30 m×0.60 m×1.50 m的长方体，航天员头部区域是关注的重点，作为如图所示的长方体作为重点评价区域，其上、下、左、右以及面部(头后部为枕头区域)距离头部均约为6 cm。回风口布置在航天员脚部下方，进风口分别选择在航天员的头部上方(简称 “上(顶)进”)、航天员面向的睡眠区侧方(简称“侧进”)、航天员的脚部附近(简称“下(底)进”)。

2.2 仿真模型

2.2.1 计算方法

本文采用已被证明可行的标准k-ε模型[8]，控制方程通式如式(1)：

(1)

式中：ρ为材料密度；ui为i方向的速度分量；xi为i方向的坐标；Γφ,eff为有效扩散系数；Sφ为源项；t为时间。当φ取值不同时，式(1)可分别表示连续性方程、动能方程、能量方程、组分运输方程等。

2.2.2 网格划分与独立性验证

为检验网格独立性，以及人体呼出的CO2污染物扩散情况，在睡眠区内选取了两个位置：线段S1在距离睡袋20 cm的中心截面上，线段S2在航天员口鼻前方，如图1所示。

网格划分包括两部分：①头部以外区域采用六面体结构网格，以提高网格质量并减少网格数量；②头部区域划分四面体网格。采用Size Function函数使网格按比例增长，在两区域交界处网格尺寸统一，保证网格的连续性。图2给出了睡眠区中心截面示意图；图3给出了S1位置处的不同网格数下速度的比较结果，速度变化趋势相同，误差主要在速度拐点处；表1给出了风速相对于159万网格计算结果的平均相对误差，99万网格计算结果相对误差不到5%，满足计算需要。经过以上网格独立性分析，表明99万的网格数足够。

图2 中心截面示意图Fig.2 Schematic diagram of the central section

图3 S1处不同网格下风速比较(下送风条件下)Fig.3 Comparison of the air velocity of S1 with different grid numbers (the bottom inlet)

网格数目54万99万159万平均相对误差8.0%4.5%0

2.3 边界条件

仿真由Fluent软件执行，模拟工况为空间站正常通风状态，采用标准壁面函数法来处理近壁区的流动，压力使用Standard离散格式[1-2]，其它参数采用二阶迎风格式。睡眠区通风的边界设定如下：

1)进风口参数，空气的质量流量为1.5 m3/min(等于0.030625 kg/s[9])，空气温度范围为22 ℃～25 ℃，空气中CO2浓度600 ppm；

2)航天员呼出气体参数，设置为本模型的流量入口，流量为6 L/min[10](等于0.00012 kg/s)，温度为34 ℃，CO2浓度36000 ppm。回风口设置为自由出流；

3)睡眠区壁面参数，头部附近壁温设置为34.6℃[11]，睡袋壁面温度设置为25 ℃，睡眠区隔板为绝热。

2.4 评价指标

本文计算睡眠区速度场、温度场，同时为保证航天员在轨安全性，采用头部区域CO2浓度作为安全性评价指标，并选取国际上通用的舒适速度比例、吹风感和换气效率作为睡眠舒适性评价指标。

2.4.1 CO2浓度

根据空间站医学要求：航天员长期在轨飞行，吸入CO2浓度不超过8000 ppm(分压值0.8 kPa)。睡眠状态下，评价重点是航天员头部区域，应保证呼出的CO2应尽快通过通风带走。

2.4.2 舒适速度比例

舒适速度比例是指在航天员活动区域内的风速分布情况。研究表明，当乘员代谢小于234.4 W时，即使舱内空气速度低于0.0762 m/s也能够满足舒适性，规定最低风速主要是为了扩散CO2等污染物[12]。在国际空间站中，美国要求在0.051～0.20 m/s之间的风速达到70%，俄罗斯的要求为达到整体风速分布的2/3[13]。综上所述，考虑到睡眠区污染物容易聚集和舒适性要求，选取0.08～0.2 m/s范围作为指标，风速在该范围所占比例越大，流场越好。评价范围为乘员头部区域和整舱区域。

2.4.3 吹风感

Fanger[14]等人将吹风感定义为“气流对人体造成的不希望的局部的冷作用”，主要参数包括空气速度、温度以及湍流强度。本文采用ASHRAE标准中的DR(Draft Risk)模型[15]，如式(2)所示：

DR=(34-T)(v-0.05)0.62(0.37vTu+3.14)

(2)

式中：T为评价区域平均温度，单位°C；v评价区域为平均速度，单位m/s；Tu为湍流强度。其中当v≤0.05 m/s时，DR=0；当DR>100%，DR=100%。DR值越大，人体产生吹风感越明显。

2.4.4 换气效率

睡眠区换气效率[16]表征内部空气新鲜度。空气在室内最短滞留时间称为名义时间常数τn，如式(3)所示：

(3)

式中，V为房间体积，Q为通风量。进一步，可计算房间换气效率η如式(4)：

(4)

(5)

式中f(τ)为空气龄分布函数。

3 仿真结果及分析

3.1 流场分析

三种进风口位置时，平衡态下，可得睡眠区中心截面速度云图和矢量图如图4。上方进风时，新风直接流向航天员头部上方，绕过头部区域流回出风口，造成头部区域风速偏高，整场大部分风速偏低；侧方进风时，新风直接吹向航天员面部，同样造成头部和整场风速偏低；底部进风时，沿侧壁在睡眠区内部形成环流，不仅在乘员头部营造了合适的风速分布，而且提高了整体流场空气速度。

图4 三种通风位置下睡眠区中心截面速度云图与矢量图Fig.4 The velocity and vector graph of central section of crew quarters under three kinds of inlet position

3.2 睡眠舒适性分析

三个进风口位置评价区域的舒适速度比例见图5(a)。脚部进风时，睡眠区和航天员头部区域0.08～0.2 m/s之间速度所占比例均为最大，不仅能够在头部区域营造出合适的流场，而且可以起到全场扰流的效果。上方进风次之，侧方再次之。三种进风口位置头部区域和睡眠区的速度分布比例统计见图5(b)，可以看出，侧方进风和底部进风时，由于0～0.08 m/s低速区所占比例偏高，降低了舒适风速比例范围。此外，侧方进风时，低速和高速区域所占比例均为最高，说明该种进风口位置的流场分布极不均匀，从而容易造成不舒适感。

三种进风口位置，不同空气温度情况下头部区域的吹风感的比较如图6。上方进风时，吹风引起的不满意率最高，最有可能造成吹风感；侧方进风时，吹风引起的不满意率最低，造成吹风感的可能性最低。但是依据ASHRAE标准[15]，推荐DR<20%，因此三种通风方式下造成吹风感的可能性均远低于指标。此外，随着温度升高，三种通风方式造成吹风感的可能性均呈线性递减，根据式(2)，空气温度变化较小时，湍流强度的影响很小，DR与温度T呈现近似线性相关。

图5 三种通风方式下舒适速度比例Fig.5 Comfortable speed ratio under three kinds of inlet positions

图6 三种通风方式不同温度下头部吹风感Fig.6 Draft sensation under three kinds of inlet positions

换气效率是评价室内空气更换效果好坏的指标，换气效率越高，就说明室内空气更为清洁。选取空气龄最高的底部进风方案进行计算，经计算，睡眠区空气龄平均值为65.9 s，睡眠区体积取为2 m3，送风量为1.5 m3/min，带入式(4)，得到睡眠区换气效率为60.7%。可见，三种进风口位置，睡眠区的换气效率均超过60%，空气较为新鲜。

3.3 CO2浓度分布和安全性分析

三种进风口位置航天员口鼻区S2处CO2浓度变化情况如图8。航天员长期在轨飞行，CO2分压不应超过0.79 kPa(相当于质量分数占比0.124%[1-2])，图中可以看出三种位置的CO2浓度分布均能够满足安全要求，底部进风时，CO2浓度下降最慢，在距口鼻区不到20 cm处也低于要求值。此外，侧方进风时，CO2浓度下降最快，这是因为空气直接流向乘员面部，易于CO2扩散。

图8 乘员口鼻区正前方S2处CO2质量分数Fig.8 CO2 mass fraction varies with the distance from mouth area

3.4 综合评价

根据上述仿真计算和分析，三种进风口位置，吹风引起的头部吹风感均低于8%，睡眠区换气效率均超过60%，头部CO2浓度满足安全性要求。同时也发现：侧方进风时，内部流场分布不合理，低速和高速区所占比例偏高，上方进通风时，最易产生吹风感；底部通风时，睡眠区流场分布更为均匀舒适，头部区域0.08～0.2 m/s所占比例超过80%，整舱高达60%，舒适速度比例更高。综合评价，进风口布置在底部位置，不仅能满足安全性要求，航天员睡眠舒适性也最好，是最优选择。不同进风口位置的睡眠舒适性综合评价见表2。

表2空间站睡眠区流场和舒适性综合评价

Table2Comprehensiveevaluationofflowfieldandcomfortofcrewquartersofspacestation

评价指标上方进风侧方进风底部进风睡眠区流场均匀性次优最差最优睡眠区速度舒适比例次优最差最优头部吹风感合格最优合格睡眠区换气效率/%合格合格合格头部CO2浓度/%合格合格合格

4 结论

1)三种通风方式下，由吹风引起的不满意率DR在头部均低于8%，不易产生吹风感；DR值随温度升高，产生吹风感的可能性降低；三种通风方式下睡眠区换气效率均超过60%，可见睡眠区内部空气更换效果良好；三种通风方式下口鼻区CO2浓度扩散合理，均能满足安全性要求。

2)底部进风不仅能够营造出合适的流场速度分布，头部区域0.08～0.2 m/s所占比例超过80%，整个睡眠区高达60%，而且不易产生吹风感，虽然空气新鲜程度低于其它两种通风方式，但是经过安全性分析，完全可以满足航天员长期在轨需要，因此是最为合适的通风方式。

3)本文提出的通过流场仿真评价区域内通风分布均匀性，选择舒适速度比例、吹风感和换气效率等指标综合评价航天员体感舒适性的方法，也可用于空间站卫生区和货物贮存区等类似情况的通风仿真分析。