人機與環境工程中若干問題的數值模擬研究

侯風霞

【摘 要】數值模擬是相對于物理模擬（實驗模擬）而言的，數值模擬是指用數值方法在計算機上對描述物理過程的控制方程進行求解，從而再現或定量分析該過程。開展數值模擬研究的物質基礎是計算機，近年來，隨著計算機技術的迅猛發展，數值模擬也得到了相應的發展。

【關鍵詞】人機；環境工程；數值模擬

1人機與環境工程簡介

人機與環境工程是航空宇航科學與技術的重要組成部分，是航空航天領域人機工程、飛行器環境控制技術和航空宇航生命保障技術的綜合性研究方向。在現代航空宇航活動中，駕駛員和乘員有著不可替代的作用，如何保證人員的生命安全、生活環境的舒適和工作的高效是航空宇航科學與技術研究的關鍵問題之一。圍繞解決該問題而產生了人機與環境工程這一新興交叉學科，其研究內容主要包括人機工程，飛行器環境控制技術，航空航天環境模擬技術，航空航天生命保障技術，空調制冷技術，以及航海器和交通運輸車輛中的人機工程與環境控制技術等。

2人機與環境工程中的數值模擬方法及其應用

人機與環境工程中的數值模擬方法根據其所模擬的對象，在具體應用中大致可分為兩大類：集中參數法和分布參數法。集中參數法是把研究對象看成在空間具有均勻參數的系統，研究目的是根據所建立的模型和對象的初始狀態或輸入參數，數值模擬出其終狀態或輸出參數。使用該方法可以定性的給出系統的總體性能，結合實驗給出的經驗公式也可以對系統進行定量分析。這種方法其控制方程簡單、所需計算時間較短，適用于大系統的數值模擬或為控制系統處理可觀、可測參數，但它不能給出系統內各參數的分布細節。分布參數法主要用來分析研究對象內部各參數的分布情況，同時也能實現系統的定量分析，顯然其研究內容涵蓋了集中參數法的研究內容，但該方法的控制方程和數值模擬方法復雜、計算時間較長，一般不適用于大系統的分析，通常也不為系統中的控制系統采用。

人機與環境工程中的數值模擬方法研究由來已久，在二十世紀七十年代國外已經采用集中參數法，對以空氣循環制冷系統為基礎的飛行器環境控制系統進行了數值模擬，在實驗驗證后形成了早期的軟件“EASY”系列，此軟件能夠對環控系統的動靜、態性能和系統的控制品質進行定量分析，但使用該軟件時，必須提供系統中各部件的試驗性能曲線。隨著機載設備冷卻要求的提高，以蒸發循環制冷系統為基礎的環控系統在飛機上得到了應用，國外也采用數值模擬方法對其進行了研究。在采用集中參數法進行系統數值模擬中，首先需要對系統中的各部件進行數值模擬，在試驗的基礎上進行修正，然后根據系統中各部件之間的關系，建立系統數值模擬方法。國內自二十世紀九十年代也開始了這方面的研究，采用集中參數法分別對空氣循環制冷系統中的換熱器和渦輪冷卻器進行了數值模擬，在此基礎上進行了飛行器環境控制系統的數值模擬研究。由于缺乏實驗和資料數據的驗證，國內的這方面研究只是方法的探索，尚未應用到工程設計中。

人機與環境工程中的分布參數數值模擬方法，就是采用計算傳熱學和計算流體力學解決人機與環境工程中的問題。在國外，計算傳熱學和計算流體力學早就被應用來解決人機與環境工程中的工程問題了。采用數值模擬的方法對飛機座艙內的氣流組織進行計算，把計算結果和實驗結果對比后，認為采用數值模擬的方法可以代替實驗模擬。波音公司采用FLUENT軟件對飛機座艙氣流組織進行數值模擬的結果報告，是國外目前有關飛機座艙氣流組織的唯一可檢索到的文獻，但沒有給出具體數值模擬方法，以及如何考慮自然對流對氣流組織的影響，只給出了二維數值模擬結果與實驗結果的對比。國內也開展了分布參數數值模擬方法的研究，采用導熱一對流一輻射藕合的模擬方法，對飛機蒙皮座艙各壁面的溫度進行了計算，給出了飛機座艙的動態熱載荷。文獻中座艙內外的換熱系數是由經驗公式給出，并沒有對座艙內的流場、溫度場進行計算。

3湍流流動與傳熱的數值模擬方法

人機與環境工程中所研究的大多數問題與流動與傳熱有關，且都是復雜的湍流流動與換熱問題。對流動與傳熱問題進行數值模擬時，首先需要對所計算區域在空間上進行網格劃分，生成計算用網格的方法稱為網格生成技術。網格生成技術可以分為結構化網格生成技術和非結構化網格生成技術兩大類。自1974年Thompson等三人提出生成貼體坐標的方法以來，結構化網格的生成技術用于解決工程中復雜區域內的網格劃分得到了充分的發展。而非結構化網格生成技術是二十世紀九十年代發展起來的處理復雜區域網格劃分的方法。計算網格的質量對流動與傳熱問題的數值模擬有很大的影響，有時甚至起到決定性的作用。網格生成技術在計算流體力學和計算傳熱學中的重要性日益被人們所認識，如今網格生成技術己發展成計算流體力學的一個重要分支。

采用數值模擬的方法研究湍流流動與傳熱，其核心內容是如何離散描述湍流流動與傳熱過程的微分方程（控制方程），及如何對離散方程進行求解。離散控制方程的常見方法有：有限差分法、有限容積法、有限元法、有限分析法、邊界元法等，目前被廣泛使用的主要是有限差分法、有限容積法。根據離散方程因變量的不同，控制方程的數值算法可分為壓力基算法和密度基算法。壓力基算法把壓力作為離散方程中的因變量，該算法一般是聯合連續方程和動量方程得到壓力修正方程或壓力方程，求解得到壓力和溫度后，由狀態方程導出密度。此類算法的優點是能夠兼顧處理可壓縮和不可壓縮流，典型的壓力基算法有MAC，SIMPLE系列、PISO等。密度基算法采用密度作為離散方程因變量，得到溫度和密度后，由狀態方程得到壓力。密度基算法被廣泛應用于可壓縮流和外流，TVD，ENO，MUSCL等高精度格式算法屬于密度基算法。在處理低速流動和不可壓流時，由于密度壓力藕合弱，往往采用添加人工粘性項等方法處理，計算效率低。

在壓力基算法中，動量方程中的壓力相采用中心差分時，預測的壓力場會出現棋盤形失真。解決此問題的方法目前有兩種，一種是由Patankar和Spalding提出的交錯網格法，另一種是在同位網格下，采用動量插值的方法計算界面流速。交錯網格法采用多套網格，需要進行有關幾何及計算參數的反復插值，耗費機時多、程序編制復雜。而同位網格法相對節省機時、程序簡單，是當前主要采用的方法。對控制方程離散后的代數方程組的求解方法是數值模擬中的另一個重要問題。求解代數方程組的方法一般分為直接解法和迭代解法兩大類。直接解法無需迭代直接獲得代數方程組的精確解，但對于流動與換熱這樣的非線性問題，離散方程的系數矩陣巨大，且系數是所求參數的函數，使用直接解法需要占用較大的計算機內存和花費較多的CPU時間，應用很少。目前，求解離散方程的主要方法是迭代解法，迭代解法收斂速度的快慢是衡量其算法好壞的標準，為了加速收斂常用的計算方法有ADI交替方向掃描、SIP、塊迭代、多重網格等。

結束語

總而言之，數值模擬相對于物理模擬具有通用性強、成本低、周期短等優點，用數值模擬方法可部分或完全替代實驗模擬；另外，對有些地面實驗無法模擬的物理過程，只能采用數值模擬和地面實驗相結合的方法來研究。

參考文獻：

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