Numerical investigation of thermal comfort for passengers in a helicopter cabin

Abstract

Bu tezde, helikopter kabini içerisindeki yolcuların konforu ve yolcuların konforunu etkileyen parametreler numerik olarak incelenmiştir. Hava araçlarında pilot ve yolcuların konforunun sağlanması operasyonun sağlıklı şekilde devam ettirilebilmesi adına önem taşımaktadır. Hava dağıtım sistemleri hava araçlarında güvenli, sağlıklı ve rahat kabin ortamı yaratılması adına kritik öneme sahiptir. Helikopter kabini gibi karmaşık yapılarda homojen hava hızı ve sıcaklığı elde edilmesi oldukça zorlu bir görevdir. Kabin içerisinde homojen ortamın sağlanması için için hava çıkışlarının konumlarının ve debilerinin dikkatlice belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Kabin içerisindeki düşük hava hızları ve yüksek sıcaklıklar, yolcular arasında rahatsızlık hissine neden olabilmektedir. Helikopterler kullanım amaçlarına ve üstlendiği görevlere göre farklı tasarımlara sahip olabilir. Kokpit bölgesinde iki pilot ve kabin bölgesinde tasarımlarına göre farklı yolcu kapasitesine sahip olabilir. Her ne kadar tasarımlar birbirinden farklı olsa da her bir hava aracının uygun olması gereken standartlar literatürde mevcuttur. SAE ARP292, ASHRAE 161-2013 ve ASHRAE 161-2007 hava araçlarının sağlaması gereken bazı standartlardır. Tez içerisinde bu standartların önemli çıktıları aktarılmıştır. Tez çalışmasına öncelikli olarak literatur taraması yapılarak başlanmıştır. Literatürde hava araçları özellikle uçaklar özelinde termal konfor çalışmaları yer almaktadır. Deneysel ve numerik çalışmalar genellikle hava çıkış konumlarının belirlenmesi ve etkilerinin incelenmesi üzerine olmaktadır. Ardından literatürde yer alan ve önceden gerçekleştirilen deneysel çalışmalardan birisi ticari hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözücüsü olan Star CCM+ yazılımı ile tekrar çözülmüş, doğrulaması yapılmış ve akış hacminin belirli bölgelerindeki hız dağılımları incelenerek çalışma için gerekli altyapı oluşturulmuştur. Deneysel çalışmalar için gerekli altyapının olmayışı, incelenecek her bir parametre için maliyetlerin yüksek olması sebebiyle çalışma numerik olarak devam etmiş ve deneysel olarak inceleme yapılmamıştır. Analizler üç boyutlu, zamandan bağımsız ortamda yapılmıştır. Tezde incelenen helikopter kabini 3900-2600-1700 mm boyutlarındadır. Kabin içerisinde 4 yolcu ve yolcuların koltukları bulunmaktadır. Helikopter kabini karmaşık bir geometriye sahiptir ve aslına uygun olacak şekilde sadeleştirmeler yapılmıştır. Kabin içerisindeki aviyonik ekipmanlar ve ekipmanların ısıl yükleri ihmal edilmiştir. Helikopter için en zorlu sıcaklık ve güneş yükü koşulları altında analizler gerçekleştirilmiştir. Helikopterin bulunduğu ortam sıcaklığı 50 °C ve durgun ortamda olduğu kabulü yapılmış ve en zorlayıcı ortam için analizler gerçekleştirilmiştir. Helikopter kabini içerisinde gasper adı verilen bireysel hava çıkışları ve ana çıkışlardan soğuk hava sağlanarak kabin ortalama sıcaklığı belli seviyelerde tutulmaya çalışılmış ve yolcuların termal konforunun sağlanması amaçlanmıştır. Kabinde dört bireysel hava çıkışı ve iki sabit hava çıkışı bulunmaktadır. CS 29.841 havalandırma gerekliliklerine göre, tüm yolcu ve mürettebat bölmeleri yeterli şekilde havalandırılmalıdır. Özellikle, her mürettebat bölmesine mürettebat üyelerinin aşırı rahatsızlık veya yorgunluk yaşamadan görevlerini yerine getirebilmelerini sağlamak için yeterli miktarda temiz hava sağlanmalıdır - mürettebat üyesi başına dakikada en az 0,3 m³'tür. Gaspers ve ana çıkışlardan gelen hava, temiz hava gereksinimlerini karşılamaya ve kabin sıcaklığını düzenlemeye yardımcı olur. Sabit hava çıkışlarından kabine sağlanan hava debisi CS 29.841 gereksinimini karşılamaktadır. Gasper'ların tamamen kapatılması durumunda dahi gereksinim sağlanmaktadır. Tezde kabin içerisindeki yolcuların termal konforları farklı parametrelerin değişimi ile incelenmiştir. Yolcuların termal konforu, farklı parametreler için Eşdeğer Sıcaklık ( ET) ve Etkili Sürükleme Sıcaklığı (EDT) kullanılarak değerlendirilmiştir. Yolcuların vücutlarının farklı bölgelerindeki ET ve EDT değerleri karşılaştırılarak, helikopter kabini içerisindeki termal konforun belirlenmesinde sürüklenme ve radyasyonla ısı transferinin göreceli önemi vurgulanmıştır. Yolcuların kafa, sol kol, sağ kol, omuz, gövde, sol bacak ve sağ bacak bölgeleri ET ve EDT sıcaklık ortalamaları incelenerek yolcuların termal konforu irdelenmiştir. İncelenen ilk parametre gasper konumunun belirlenmesidir. Gasper'lar yolcuların üst kısımlarına konumlandırılmıştır ve yolculara hava geliş açısı sabit kabul edilmiştir. Referans olarak kabul edilen gasper konumunun 30 mm uzaklığında kıyas amaçlı yeni gasper konumları belirlenmiş ve analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda en uygun gasper konumu yolcu vücudunun sağ ve sol yarısının simetriğinde, kafa bölgesinden 0-30 mm uzaklıkta olduğu belirlenmiştir. Böylece diğer analiz setleri için yolcuların termal konforunu sağlayacak en uygun tasarım tespit edilmiştir. İncelenen ikinci parametre gasper ve sabit hava çıkış oranları değiştirilerek gasper hava çıkışının termal konfora etkisi incelenmiştir. Bu parametre setinde gasper ve sabit hava çıkışlarındaki toplam hava debisi aynı olacak şekilde analizler gerçekleştirilmiştir. Gasper'lardan kabine sağlanan hava debisi oranı %100, %75, %50, %25 ve %0 olacak şekilde analizler gerçekleştirilmiş ve yolcuların termal konforu incelenmiştir. Analizler sonucunda gasper'lardan sağlanan hava debisi oranı azaldıkça yolcuların termal konforunda azalma görülmüştür ve böylece gasper'ların termal konfora olan olumlu etkisi ortaya konmuştur. İncelenen üçüncü parametre gasper kesit alanı değişiminin termal konfora etkisinin incelenmesidir. Gasper'lardan sağlanan hava debisi aynı kalması durumunda, kütlenin korunumu prensibine göre, hava çıkış kesit alanının azalması ile hava hızının arttığı bilinmektedir. Gasper'lar prensip gereği jet akışı sağlamaktadır. Dolayısıyla kesit alanının azalması ile yolcu üzerinde lokal olarak yüksek hava hızı değerleri görülmektedir. Analizler sonucunda kesit alanının azalması termal konfora pozitif etkisi bulunmaktadır ancak yolcu üzerinde yüksek hava hız akışı sağlanması konforu negatif etkileyeceğinden kesit alanını hava hızının rahatsız etmeyecek seviylerde tutulması gerekmektedir. İncelenen dördüncü parametre dış ortam hava sıcaklığına göre gasper ve sabit hava çıkışlarından kabin içine sağlanan hava sıcaklığının incelenmesidir. Analizler diğer üç incelemede 50 °C ortam hava sıcaklığına göre 10 °C soğuk hava sıcaklığının sağlanarak incelenmişti. Bu parametrede ortam sıcaklıkları 50 °C, 48 °C,46 °C, 44 °C, 42 °C ve 40 °C olacak şekilde iç ortama sağlanan hava sıcaklığının yolcuların termal konforu sağlanacak şekilde yeniden belirlenmesidir. Sonuç olarak dış ortam sıcaklığına göre soğuk hava sıcaklığının belirli bir korelasyona göre ayarlanabildiği gösterilmiştir. Bu tezde, helikopter kabini içerisinde yolcuların termal konforunu etkileyen parametreler incelenmiştir. Termal konfor, yolcuların vücut bölgelerindeki ortalama ET ve EDT sıcaklık değerleri üzerinden çıkarımlar yapılmış ve parametrelerin etkileri incelenmiştir.

In this thesis, the comfort of passengers inside a helicopter cabin and the parameters affecting this comfort are numerically investigated. Ensuring the comfort of both pilots and passengers in aerial vehicles is crucial for the safe continuation of operations. Air distribution systems play a vital role in providing a safe, healthy, and comfortable cabin environment in aircraft. Achieving a uniform air velocity and temperature distribution in complex structures like helicopter cabins is a challenging task. For maintaining a homogeneous environment within the cabin, it is essential to carefully determine the positions and flow rates of air outlets. Low airspeeds and high temperatures inside the cabin can lead to discomfort among passengers. Helicopters can be designed differently depending on their intended use and the missions they are assigned. While the cockpit typically accommodates two pilots, the cabin section may vary in passenger capacity according to the design. Despite design variations, certain standards must be met for each aerial vehicle, and these are defined in the literature. SAE ARP292, ASHRAE 161-2013, and ASHRAE 161-2007 are some of the key standards that aircraft are expected to comply with. This thesis presents the significant outputs of these standards. The study begins with a comprehensive literature review. Existing research on aircraft, especially airplanes, mainly focuses on thermal comfort. Both experimental and numerical studies typically address the positioning of air outlets and their effects. One of the previous experimental studies found in the literature is reproduced using the commercial computational fluid dynamics software, Star-CCM+, and the results are validated. Velocity distributions in specific regions of the flow domain are analyzed to form the necessary foundation for this study. Due to the lack of infrastructure for experimental research and the high costs associated with testing multiple parameters, the study continued solely as a numerical investigation. The analyses are conducted in a three-dimensional, steady-state environment. The helicopter cabin examined in this thesis has dimensions of 3900-2600-1700 mm. Inside the cabin, there are four passengers and their seats. The helicopter cabin has a complex geometry, and simplifications are made to maintain its fidelity. Avionic equipment and their thermal loads are neglected. The analyses are performed under extreme ambient temperature and solar radiation conditions. The ambient temperature is assumed to be 50 °C, with the helicopter considered stationary, representing the most challenging environmental scenario. Cold air is supplied through individual air outlets (known as gaspers) and main outlets to maintain a moderate cabin temperature and ensure passenger thermal comfort. The cabin includes four individual air outlets and two fixed main outlets. According to CS 29.841 ventilation requirements, all passenger and crew compartments must be adequately ventilated. Specifically, each crew compartment must be supplied with sufficient clean air to allow crew members to perform their duties without excessive discomfort or fatigue, at least 0.3 m³ per minute per crew member. Air supplied through gaspers and main outlets meets the requirement for clean air and helps regulate cabin temperature. Even if all gaspers are completely closed, the airflow provided through the fixed outlets is sufficient to meet the standard. This thesis investigates the thermal comfort of passengers by examining the effect of different parameters. The thermal comfort of passengers is evaluated using Equivalent Temperature (ET) and Effective Draft Temperature (EDT) for various parameter sets. By comparing ET and EDT values across different body regions, the relative importance of convective and radiative heat transfer in determining cabin comfort is emphasized. Passenger body parts, including the head, left arm, right arm, shoulders, torso, left leg, and right leg, were examined based on average ET and EDT values to assess comfort levels. The first parameter examined is the positioning of the gaspers. Gasper units are placed above passengers, and the angle at which air is delivered to passengers is assumed to be fixed. Alternative gasper positions are defined 90 mm away from the reference gasper location to allow comparison. Analyses revealed that the most suitable gasper position iss directly aligned with the vertical centerline of the passenger's body, at a distance of 0–30 mm from the head region. This optimal design is adopted for the rest of the analysis sets to ensure consistent thermal comfort for passengers. The second parameter involved varying the airflow ratio between gaspers and fixed outlets to assess the contribution of gasper airflow to thermal comfort. In this analysis set, the total airflow rate was kept constant, while the percentage of airflow through gaspers is changed to 100%, 75%, 50%, 25%, and 0%. The results showed that decreasing the airflow through gaspers led to reduced passenger thermal comfort, thus highlighting the positive impact of gaspers on comfort. The third parameter focused on the effect of gasper cross-sectional area on thermal comfort. If the airflow rate from gaspers remains constant, according to the principle of mass conservation, reducing the outlet area increases airflow velocity. Since gaspers function as jet nozzles, a reduced cross-section results in higher localized velocities near passengers. The analyses demonstrated that while reduced outlet area positively contributes to thermal comfort, excessive localized airflow velocity could be detrimental. Therefore, the outlet area must be carefully selected to maintain comfortable airspeeds. The fourth parameter examined the relationship between the ambient air temperature and the temperature of air supplied through gaspers and fixed outlets. In previous analyses, 10 °C cold air is supplied while the ambient temperature is kept constant at 50 °C. In this parameter set, ambient temperatures are varied to 50 °C, 48 °C, 46 °C, 44 °C, 42 °C, and 40 °C, and the appropriate supply air temperatures are adjusted accordingly to ensure passenger comfort. The results confirmed that air temperature can be adjusted in correlation with ambient conditions.In conclusion, this thesis investigated various parameters affecting passenger thermal comfort in a helicopter cabin. Evaluations are conducted based on the average ET and EDT values of different body regions, and the impacts of different design and environmental variables are thoroughly analyzed.