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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-03092020-131849
Document
Author
Full name
João Henrique Antoniazzi de Gouveia
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Yanagihara, Jurandir Itizo (President)
Bazan, Ovandir
Gandolfi, Ricardo
Title in Portuguese
Análise experimental do jato do gasper em cabine de aeronave utilizando velocimetria por imagem de partícula.
Keywords in Portuguese
Aeronaves
Ar condicionado
Sistemas de ventilação
Velocimetria por Imagem de partículas
Abstract in Portuguese
O número de pessoas que utilizam os aviões como meio de transporte aumenta a cada ano, e estima-se que dentro de 17 anos o mercado aéreo deva dobrar. Dessa forma, é necessário aprimorar a distribuição de ar dentro das cabines para fornecer aos passageiros um ambiente seguro, confortável e saudável. O sistema de ar condicionado da maioria das aeronaves comerciais é composto por um sistema principal, que opera pelo princípio de ventilação por mistura, e um sistema de ventilação personalizada. O sistema principal é responsável por fornecer um fluxo contínuo de ar na região da respiração dos ocupantes, composto por uma mistura do ar externo comprimido pelo motor e ar recirculado. Além disso, cada passageiro tem a sua disposição um sistema de ventilação denominado gasper. A maioria dos estudos no sistema de ventilação das cabines focam no escoamento produzido pelo sistema de ventilação principal. Porém, estudos de campo demonstram que 60% dos passageiros utilizam o gasper, e preferem manter a válvula parcialmente aberta ou redirecionar o jato para longe da cabeça, pois a forte corrente de ar causa desconforto. Assim sendo, há uma demanda para caracterizar o escoamento desse dispositivo propiciando futuros aprimoramentos. Este trabalho tem como objetivo estudar experimentalmente o jato do gasper no interior de um modelo real de cabine utilizando a velocimetria por imagem de partículas (PIV). Foram testados quatro casos experimentais, utilizando duas vazões e duas aberturas da válvula gasper. Na técnica utilizada, a velocidade é calculada pelo deslocamento mais provável de um grupo de partículas dividido pelo intervalo entre os quadros. No caso do gaspers, as velocidades observadas variam significativamente no campo, o que dificulta a determinação do melhor intervalo entre as imagens e aumenta o erro. Por isso, foi observado que tempos mais baixos representam melhor o núcleo do jato enquanto o ambiente externo necessita de intervalos mais elevados. Em sequência, foi realizada uma análise das incertezas, e notou-se que aquela relativa à estimativa do deslocamento das partículas é superior ao descrito na literatura. As imagens capturadas demonstram a complexidade do escoamento de ar ao redor do gasper, mas o decaimento da velocidade da linha central do jato em sua região totalmente desenvolvida é similar ao que ocorre em um jato redondo, assim, este estudo propôs equações empíricas que preveem o desenvolvimento do jato de acordo com abertura da válvula. Os resultados indicam que não só a velocidade é influenciada pelo sistema de ventilação por mistura como também a trajetória do jato. Além disso, a reconstrução do volume de medição mostra que a seção transversal do jato se aproxima de uma forma circular, assim, o cálculo da vazão de ar local indica que o ar entregue na zona de respiração do passageiro é majoritariamente fornecido pelo sistema de ventilação por mistura. Desta forma, o atual sistema demanda melhorias visto que o passageiro está sujeito a um jato de ar de alta velocidade e grande arraste de ar do ambiente.
Title in English
Experimental analysis of the jet from a gasper in an aircraft cabin using particle image velocimetry.
Keywords in English
Air conditioning
Aircraft
Particle image elocimetry
Personalized ventilation system
Abstract in English
As a convenient transport, the number of aircraft passengers has been increasing each year, and it is estimated that the air market should double within 17 years. Thus, it is necessary to improve the air distribution within the cabin in order to provide passengers a safe, comfortable and healthy environment. The air conditioning of majority commercial aircraft consists of a main system, which operates on the principle of mix ventilation, and a personalized ventilation system. The main system provides a continuous flow of air in the passengers' breathing zone, composed of compressed air from engines and recirculated air. In addition, each passenger has a personalized ventilation system called gasper at their disposal. Most studies on aircraft cabin ventilation focus on the flow produced by the main ventilation system. However, field studies show that 60% of passengers use gasper. Besides, they prefer to keep it partially open or redirect it away from the head due to the discomfort caused by a strong draft sensation. Therefore, there is a demand to characterize the flow of this device for future improvements. This essay aims to experimentally study the gasper jet inside a real cabin mock-up using particle image velocimetry (PIV). Four experimental cases were tested using two flows and two openings of the gasper valve. In the technique used, velocity is calculated by the most likely displacement of a particle group divided by the time between frames. In the case of gaspers, the observed velocities vary significantly in the field, which makes it difficult to determine the best interval between images and increases probability of errors. It was observed that lower times represent the jet core better while the external environment needs higher intervals. Then, an analysis of the uncertainties was accomplished, and it was noted that the one related to the estimation of particle displacement is higher than that described in the published articles. The captured images demonstrate the complexity of air flow around the gasper, yet the velocity decay on the fully developed jet's centerline is similar to a round jet. Thus, this study proposed empirical equations that predict jet development according to valve opening. The results indicate that not only the velocity is influenced by the mixture ventilation system but also the trajectory of the jet. In addition, the three-dimensional reconstruction of the measurement volume shows that the cross section of the jet approaches a circular shape. From the local flow calculation, it was noted that the air in the passenger breathing zone is mostly supplied by the mixed ventilation system. Finally, it is concluded that the current system requires improvements as the passengers are subjected to a high-speed jet with large entrainment ratio.
 
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Publishing Date
2020-09-24
 
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