某型民用飛機駕駛艙流場仿真優化研究

牛越　楊智

【摘 要】本文采用商業流體力學計算軟件，計算了某型號飛機駕駛艙內部的流場分布情況，重點分析了主副駕駛員及觀察員周圍空氣流速分布情況，并分析和解釋了流場形成原因，為駕駛艙通風系統優化設計提供理論依據。

【關鍵詞】駕駛艙；流場；仿真

0 前言

民用飛機駕駛艙是民用客機中的重要艙室，其舒適性與飛機駕駛員健康及情緒息息相關，甚至可對駕駛員行為能力和判斷能力產生影響，而駕駛艙內流場分布是否合理對駕駛艙舒適性起著至關重要的作用。因此，在飛機設計和優化過程中，必須考慮駕駛艙內流場分布情況。

本研究以某型號飛機駕駛艙為例，采用商業計算流體力學仿真軟件，對駕駛艙內流場分布情況進行了分析研究，為駕駛艙通風系統優化設計提供理論依據。

1 駕駛艙計算模型

為便于進行流體力學仿真計算，將駕駛艙三維模型簡化結果如圖1所示。簡化模型外形輪廓提取了駕駛艙天花板、地板、座椅、顯示器、控制臺、主風窗、通風窗和后觀察窗等。

駕駛艙送風口位于駕駛艙頂部、駕駛員側后上方。送風氣流通過圓形風管進入導流腔體（緩沖腔），然后經送分口進入駕駛艙內。駕駛艙的回風口位于顯示器下方駕駛員腿部前側內凹處。駕駛艙內設主駕駛位和副駕駛位以及觀察員位置。此外，駕駛艙內部儀表盤上有五塊顯示器，中部有一個控制臺，左右兩側各有柜臺，并且左右對稱分布了主風窗、通風窗和后觀察窗。

2 計算網格劃分與計算模型設置

2.1 計算網格劃分

為提高精度，最大限度的還原駕駛艙內部結構，保證計算的準確性與可靠性，對簡化模型內部表面進行包面處理，最大內表面包面尺寸設定為5*10-4m。網格劃分工作同樣采用Star-CCM+進行。劃分方法采用表面重構、多面體網格、邊界層網格與自動表面修復，網格基準尺寸為0.01m，網格數量約為600萬。

2.2 計算模型設置

計算工況為熱天地面條件（蒙皮溫度40℃）。計算模型采用三維穩態計算方法、K-ε湍流模型、分離流流動模型與能量模型。

2.2.1 對流換熱類型的判斷

根據工程經驗，駕駛艙內部空氣流速一般非常低，大部分區域的流速小于1m/s，自然對流為主要換熱方式。在模擬自然對流時，通常采用兩種方法：Boussinesq近似和不可壓縮理想氣體模型。一般來說，采用Boussinesq近似更容易收斂，所以本次模擬采用Boussinesq近似。

2.2.2 流態的判斷

根據前面的判斷，駕駛艙內的對流換熱類型為自然對流換熱，此時流態的判斷采用瑞利數Ra（Raleigh number）（而強迫對流條件下，流態的判斷采用雷諾數Re）。如果Ra>109，則為湍流，否則為層流。經計算得到，駕駛艙內Ra≈7.31×109>109， 可知駕駛艙內部的流態為湍流。

3 計算結果

如圖2所示，為駕駛員及副駕駛員附近橫斷面速度云圖，可以看出，在106架機構型和新構型中，駕駛艙大部分區域流速在0-0.3m/s之間，駕駛員及副駕駛員身體附近空氣流速均在0.2m/s以下，基本滿足舒適性要求。

如圖3所示，為觀察員附近豎直橫斷面速度云圖，可以看出，觀察員頭頂天花板附近出現局部較大流速，向下流速逐漸減弱，至觀察員頭部附近空氣流速約為0.4～0.5m/s。分析該處空氣流速較高的原因，空氣由出風口流出后，受到兩側隔板的阻擋，沿兩側天花板向高處流動，兩股流體在天花板頂部匯集后向下方擴散，造成觀察員頂部天花板附近空氣出現局部較大流速。

圖4展示了駕駛員頭部附近水平截面速度分布云圖，由于機內人員頭部附近空氣流速較低，且流場中流速在1m/s以上的區域距離主副駕駛員及觀察員較遠，為便于分析機內人員頭部附近流場分布情況，設置流速顯示范圍為0～1m/s。根據計算結果，觀察員頭部左后方流速略高于設計要求，達到0.3m/s，其他區域滿足設計要求。綜合評價，主副駕駛員及觀察員頭部附近空氣流速在可接受范圍內。

如圖5所示，為駕駛員腰部附近水平截面速度分布云圖。同樣設置流速顯示范圍為0～1m/s。空氣流速較高的區域集中在駕駛艙左右兩個角落及主副駕駛員座椅后部，基本不會對駕駛艙內人員舒適性產生影響。駕駛員左后部附近出現局部較大風速，達到0.6～0.7m/s左右，但未擴散至駕駛員兩側，駕駛員左臂附近流速在0.2～0.25m/s之間，滿足舒適性要求。

如圖6所示，為駕駛員腳部附近水平截面速度分布云圖。流速顯示范圍為0～1m/s。主副駕駛員及觀察員腳步附近流速滿足舒適性要求，空氣流速在0.5m/s以下。

4 結論

本研究計算了某型號飛機駕駛艙內流場分布情況，重點分析了主副駕駛員及觀察員周圍空氣流速分布情況，得到結論如下：

a）觀察員頭部左側空氣流速略高，對觀察員舒適性有一定影響。

b）主副駕駛員周圍空氣流速均在0.5m/s以下，基本滿足舒適性要求。

c）駕駛艙流場整體分布情況在可接受范圍內。

[責任編輯：田吉捷]