民用飛機(jī)駕駛艙氣流組織的數(shù)值分析

王 剛 / WANG Gang

(中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海200232)

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民用飛機(jī)駕駛艙氣流組織的數(shù)值分析

王 剛 / WANG Gang

(中國商飛民用飛機(jī)試飛中心，上海200232)

作為一架飛機(jī)的指揮中心，駕駛艙的重要性是顯而易見的。艙內(nèi)的環(huán)境控制尤其是氣流組織對飛行員的身體健康和正常工作有很大影響。建立了某型民用飛機(jī)的三維駕駛艙模型，做出合理假設(shè)和簡化后運(yùn)用流體力學(xué)計算軟件FLUENT進(jìn)行了數(shù)值模擬，基于PS模型對各種工況進(jìn)行熱舒適性評價。結(jié)果表明，總供風(fēng)量為0.08m3/s，側(cè)面送風(fēng)占總風(fēng)量40%且送風(fēng)方向垂直于送風(fēng)口的方式為最佳工況，此時駕駛員、觀察員周圍空氣的溫度和速度達(dá)到人體舒適度要求，模擬結(jié)果為駕駛艙氣流組織的設(shè)計提供了參考。

民機(jī)駕駛艙；氣流組織；數(shù)值模擬；PS模型

0 引言

作為飛機(jī)的“大腦”，駕駛艙的地位和重要性不言而喻。為保證飛行員、觀察員的身體狀況和在駕駛艙的正常工作，需要對駕駛艙的環(huán)境進(jìn)行控制。通常環(huán)控內(nèi)容包括通風(fēng)、溫濕度調(diào)節(jié)、空氣品質(zhì)、降噪等，而氣流組織設(shè)計更是環(huán)控設(shè)計的第一步，供排氣口的布置和尺寸、送風(fēng)量及其分配、送風(fēng)方向、供氣溫度等直接影響到駕駛艙內(nèi)人員的舒適性[1]。氣流組織設(shè)計是否合理需要通過計算或試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，模擬實(shí)際環(huán)境得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較直觀、精確性也較高，但其耗時耗費(fèi)的缺點(diǎn)同樣很明顯。隨著計算機(jī)和數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證之前更傾向于CFD數(shù)值模擬。王黎靜[2]等人建立了波音737-800飛機(jī)駕駛艙的全尺寸三維模型，采用PMV指標(biāo)模擬評價艙內(nèi)舒適度，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和駕駛員的客觀評價結(jié)果一致；文獻(xiàn)[3]作者利用FLUENT軟件模擬了地面夏季工況下客機(jī)駕駛艙內(nèi)部的熱舒適性，提出飛行員熱不舒適的主要原因?yàn)槠骄椛錅囟冗^高；Gunther[4]等對商用飛機(jī)座艙內(nèi)的新風(fēng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究；Singh[5]等對座艙的天花板送風(fēng)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了影響艙內(nèi)人體熱負(fù)荷的因素，計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致。

本文以某型民用飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的空氣流動和傳熱特性為研究對象，運(yùn)用數(shù)值模擬方法計算了不同工況下駕駛艙內(nèi)的速度場、溫度場，基于PS模型對艙內(nèi)熱舒適性進(jìn)行了評價，獲得了最佳送風(fēng)工況，為民用飛機(jī)駕駛艙氣流組織的設(shè)計和優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 仿真模型

1.1 物理模型和網(wǎng)格離散

利用ANSYS ICEM CFD軟件對某型民用客機(jī)駕駛艙進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分離散，建模時在不影響駕駛艙內(nèi)部流場的情況下對內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了一定簡化，對尖角進(jìn)行圓滑處理，各表面均光滑。如圖1所示，駕駛艙頂部天花板布置2個對稱的送風(fēng)口，左右側(cè)操縱臺各布置2個圓形送風(fēng)口，2個出風(fēng)口對稱布置在正副駕駛員座椅下方地板上。機(jī)組人員的個人送風(fēng)口采用個性化送風(fēng)方式，根據(jù)個人喜好打開，本文模型暫不考慮這些送風(fēng)口?？紤]到模型幾何形狀的不規(guī)則性，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，對送風(fēng)口和出風(fēng)口進(jìn)行局部加密，總網(wǎng)格單元數(shù)270萬。

圖1 駕駛艙結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 邊界條件

對物理模型的簡化和假設(shè)：①艙內(nèi)空氣為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、常物性牛頓流體；②熱源按恒溫壁面處理，計算初始溫度為303.15K，各送風(fēng)口空氣溫度為常量295.15K；③座艙壓力高度為8 000ft，其對應(yīng)的大氣壓力為75kPa；④送風(fēng)量和送風(fēng)口速度按實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)置，空氣密度為定值1kg/m3。⑤送風(fēng)口為速度邊界，出風(fēng)口為出流邊界，固體表面為標(biāo)準(zhǔn)無滑移邊界。

根據(jù)駕駛艙供風(fēng)量設(shè)計要求，每名機(jī)組的最低新風(fēng)需求量為0.75kg/min，按駕駛艙兩名駕駛員、一名觀察員的標(biāo)準(zhǔn)配給模式，得到駕駛艙所需最低新風(fēng)量為2.25kg/min，即0.037 5m3/s，考慮到駕駛艙電子設(shè)備散熱、人員散熱和外界輻射，計算了0.04 m3/s、0.06 m3/s 、0.08 m3/s 、0.10 m3/s 這4種送風(fēng)量工況，通過數(shù)值模擬方法得到最優(yōu)送風(fēng)量后，再對各送風(fēng)口的風(fēng)量、送風(fēng)方向進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。各通風(fēng)口參數(shù)見表1。

表1 送風(fēng)口參數(shù)

1.3 數(shù)學(xué)模型

基于前文提出的駕駛艙物理模型和做出的假設(shè)，表征艙內(nèi)流動和傳熱的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程[6]分別為：

k方程：

ε方程：

式中，ui、uj為速度分量；ρ為密度；μ為粘性系數(shù)；T為時間量；Pr為普朗特數(shù)；ST為合并后的源項(xiàng)；k為湍流動能；ε為湍流耗散率；Gk為層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為擴(kuò)散產(chǎn)生的波動；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σε是k方程和ε方程的湍流普朗特數(shù)；Sk和Sε是自定義參數(shù)。

1.4 求解策略

采用商用軟件ANSYS FLUENT 13進(jìn)行求解，設(shè)置壓力和動量方程的耦合方式采用SIMPLE算法，壓力的離散選擇STANDARD算法，其他參數(shù)的離散均選擇一階迎風(fēng)格式，收斂值采用軟件默認(rèn)的收斂標(biāo)準(zhǔn)，即能量項(xiàng)的殘差低于10-6，其余變量殘差低于10-3。

2 數(shù)值模擬和分析

2.1 PS模型

和傳統(tǒng)的熱舒適性指標(biāo)PMV-PPD比較，PS模型可用來預(yù)測局部空氣運(yùn)動可控時，人體對所處熱環(huán)境的滿意率，計算公式如下：

式中，PS為人體對所處熱環(huán)境的吹風(fēng)感滿意率；T表示操作溫度，℃；V表示空氣流速，m/s；PS≤1，PS值大于1時，取PS=1。人體臉部對吹風(fēng)感最為敏感，選擇正副駕駛員和觀察員臉部中點(diǎn)為觀察點(diǎn)，分別為(1.336，1.088，0.532)、(1.336，1.088，-0.532)、(2.256，1.088，0)。

2.2 總送風(fēng)量計算仿真

1.2節(jié)中已經(jīng)設(shè)定了4種不同送風(fēng)量的工況，左、右側(cè)操縱臺兩個圓形送風(fēng)口出風(fēng)速度相等，計算工況見表2。

表2 送風(fēng)量計算工況

PS值計算結(jié)果如圖2所示。從圖中可看出，通風(fēng)口參數(shù)、送風(fēng)溫度恒定時，正副駕駛員和觀察員的吹風(fēng)感滿意率隨著總送風(fēng)量的增加而增大，正、副駕駛員的滿意率基本相同。送風(fēng)量為0.08m3/s時，正副駕駛員的滿意率已超過1，此時觀察員的滿意率為0.87，由于觀察員的舒適性為非優(yōu)先級，且考慮到送風(fēng)量繼續(xù)增大會增加空調(diào)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，可認(rèn)為該送風(fēng)量為最優(yōu)工況。圖3給出了4種計算工況下駕駛員界面的溫度場和速度場。(駕駛員界面為X=1.432)

圖2 隨總送風(fēng)量變化的PS值

2.3 新風(fēng)量分配計算仿真

在總送風(fēng)量為0.08m3/s時，對各送風(fēng)口的空氣量進(jìn)行分配，計算4種工況，見表3，比較4種工況下觀察點(diǎn)的PS值，得到最佳新風(fēng)分配方案。

圖3 四種計算工況下駕駛員界面溫度場和速度場

表3 新風(fēng)量分配計算工況

圖4給出了四種工況下觀察點(diǎn)PS值的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)左、右側(cè)操縱臺送風(fēng)口速度增大可增加人員滿意率，側(cè)面出風(fēng)口速度2.4m/s時，人員的吹風(fēng)感滿意率都達(dá)到了可接受程度，此時側(cè)面出風(fēng)量占總送風(fēng)量的40%。

圖4 不同新風(fēng)量分配工況下的PS值

2.4 送風(fēng)口出流方向計算仿真

在某一恒定送風(fēng)速度下改變送風(fēng)方向，計算模擬不同出流方向工況下人員的吹風(fēng)感滿意率?？偹惋L(fēng)量為0.08m3/s，天花板送風(fēng)口1.17m/s，側(cè)面送風(fēng)口2m/s，考慮4種工況的側(cè)面送風(fēng)方向，即在YZ平面內(nèi)與Y軸夾角分別為0°、15°、30°、45°，仿真計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同送風(fēng)方向工況下的PS值

從圖中可看出側(cè)面送風(fēng)方向與Y軸夾角增大時，正副駕駛員滿意率稍微上升之后明顯下降。夾角45°時，正副駕駛員觀察點(diǎn)空氣流速僅0.03m/s，其PS值僅0.36；觀察員滿意率在夾角30°時最低，之后有所回升。所以側(cè)面送風(fēng)方向垂直于送風(fēng)口時，駕駛艙內(nèi)所有人員的舒適性均可保證。

2.5 溫度場和速度場模擬結(jié)果

圖6～圖9給出了總風(fēng)量0.08m3/s，天花板送風(fēng)速度1.05m/s，側(cè)面流速2.4m/s，送風(fēng)方向垂直于送風(fēng)口工況下駕駛員界面、觀察員界面的溫度場和速度場，兩個界面的位置分別為X=1.432、X=2.348。

圖6 駕駛員界面溫度場

圖7 駕駛員界面速度場

圖8 觀察員界面溫度場

圖9 觀察員界面速度場

從圖中可看出駕駛員區(qū)域溫度在297K～298K之間，分布均勻且無較大溫差，正駕駛和副駕駛溫度分布、速度分布基本一致，座椅上部分速度在0.05m/s～0.15m/s之間，座椅下部分速度在0.15m/s～0.55m/s之間，這是因?yàn)槌鲲L(fēng)口在正對座椅下方的地板上；觀察員區(qū)域溫度控制在296K～296.6K，溫度場分布均勻波動很小，速度控制在0.05m/s～0.25m/s，滿足ASHRAE中規(guī)定的人體熱舒適性要求[7]。

3 結(jié)論

本文對某型民用客機(jī)的駕駛艙建立了數(shù)理模型，對其氣流組織進(jìn)行了數(shù)值計算，選擇三個觀察點(diǎn)并基于PS模型評價各工況的優(yōu)劣，得到以下結(jié)論：

(1)在保證人員新鮮空氣量和電子設(shè)備散熱的前提下，駕駛艙總送風(fēng)量的最佳設(shè)計值為0.08m3/s。

(2)在總送風(fēng)量為0.08m3/s的工況下，左、右側(cè)操縱臺出風(fēng)口出風(fēng)量占總風(fēng)量的40%時，可獲得最優(yōu)的人員滿意率，此時天花板出風(fēng)速度為1.05m/s，側(cè)面出風(fēng)速度為2.4m/s。

(3)對側(cè)面送風(fēng)方向進(jìn)行了計算分析，最優(yōu)工況為側(cè)面出風(fēng)方向垂直于出風(fēng)口。

(4)計算了最佳工況下駕駛員界面和觀察員界面的溫度場和速度場，其結(jié)果完全滿足人體熱舒適性的標(biāo)準(zhǔn)，為民用飛機(jī)駕駛艙氣流組織的設(shè)計提供了參考。

[1] 袁建新.單通道民用飛機(jī)客艙氣流組織數(shù)值仿真研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計與研究，2015,1: 11-14.

[2] 王黎靜，王昭鑫，何雪麗.大型客機(jī)駕駛艙氣流熱仿真及舒適性評價[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，36(12):1436-1439.

[3] 孫賀江，安璐，等.客機(jī)駕駛艙流場CFD模擬與熱舒適性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報，2014，47(4):298-303.

[4]GuntherG，BosbachJ，JulienP.Experimentalandnumericalsimulationofidealizedaircraftcabinflows[J].AerospaceScienceandTechnology，2006，10(7):563-573.

[5]SinghA，HosniMH，HorstmanRH.Numericalsimulationofairflowinanaircraftcabinsection[J].ASHRAETransactions，2002，108(1):1005-1013.

[6] 陳鵬.客機(jī)駕駛艙供風(fēng)系統(tǒng)的初步設(shè)計與數(shù)值模擬[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[7]AmericanSocietyofHeating，RefrigeratingandAir-conditioningEngineers.ANSI/ASHRAEStandard55-2004ThermalEnviromentConditionforHumanOccupancy[S].Atlanta:AmericanSocietyofHeating，RefrigeratingandAir-conditioningEngineers，2004.

Numerical Analysis of the Air Distribution in Civil Aircraft Cockpit

(Flight Test Center of COMAC， Shanghai 200232，China)

As the command center of an aircraft，the importance of cockpit is obvious. The air distribution in the environment of cabin has very large effect on the pilot’s body health and normal operating. This paper establishes the three-dimensional cockpit model of a certain civil aircraft. The computational fluid dynamics software FLUENT is used to numerical simulation after setting some reasonable assumptions and simplifications, then the thermal comfort of various working conditions is evaluated based on PS model. It is found that the best condition is that when the total supply air is 0.08m3/s, the side supply air accounts for 40% and the flow direction perpendicular to the outlet. At this time, the surrounding air temperature and speed of pilot and observer meet the requirements of the human body comfort. The simulation results can provide reference for the design of cockpit air distribution.

civil aircraft cockpit; air distribution; numerical simulation; PS model

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.010

V245.3

A