民用飛機駕駛艙氣流組織的數值分析

王 剛 / WANG Gang

(中國商飛民用飛機試飛中心，上海200232)

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民用飛機駕駛艙氣流組織的數值分析

王 剛 / WANG Gang

(中國商飛民用飛機試飛中心，上海200232)

作為一架飛機的指揮中心，駕駛艙的重要性是顯而易見的。艙內的環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的三維駕駛艙模型，做出合理假設和簡化后運用流體力學計算軟件FLUENT進行了數值模擬，基于PS模型對各種工況進行熱舒適性評價。結果表明，總供風量為0.08m3/s，側面送風占總風量40%且送風方向垂直于送風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到人體舒適度要求，模擬結果為駕駛艙氣流組織的設計提供了參考。

民機駕駛艙；氣流組織；數值模擬；PS模型

0 引言

作為飛機的“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，需要對駕駛艙的環境進行控制。通常環控內容包括通風、溫濕度調節、空氣品質、降噪等，而氣流組織設計更是環控設計的第一步，供排氣口的布置和尺寸、送風量及其分配、送風方向、供氣溫度等直接影響到駕駛艙內人員的舒適性[1]。氣流組織設計是否合理需要通過計算或試驗進行驗證，模擬實際環境得到的試驗數據比較直觀、精確性也較高，但其耗時耗費的缺點同樣很明顯。隨著計算機和數值仿真技術的發展，越來越多的國內外學者在進行試驗驗證之前更傾向于CFD數值模擬。王黎靜[2]等人建立了波音737-800飛機駕駛艙的全尺寸三維模型，采用PMV指標模擬評價艙內舒適度，發現仿真結果和駕駛員的客觀評價結果一致；文獻[3]作者利用FLUENT軟件模擬了地面夏季工況下客機駕駛艙內部的熱舒適性，提出飛行員熱不舒適的主要原因為平均輻射溫度過高；Gunther[4]等對商用飛機座艙內的新風分布進行了數值模擬和試驗研究；Singh[5]等對座艙的天花板送風情況進行了數值模擬，得到了影響艙內人體熱負荷的因素，計算結果和試驗結果一致。

本文以某型民用飛機駕駛艙內的空氣流動和傳熱特性為研究對象，運用數值模擬方法計算了不同工況下駕駛艙內的速度場、溫度場，基于PS模型對艙內熱舒適性進行了評價，獲得了最佳送風工況，為民用飛機駕駛艙氣流組織的設計和優化提供了依據。

1 仿真模型

1.1 物理模型和網格離散

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

圖1 駕駛艙結構示意圖

1.2 邊界條件

對物理模型的簡化和假設：①艙內空氣為穩態、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，各送風口空氣溫度為常量295.15K；③座艙壓力高度為8 000ft，其對應的大氣壓力為75kPa；④送風量和送風口速度按實際工況進行設置，空氣密度為定值1kg/m3。⑤送風口為速度邊界，出風口為出流邊界，固體表面為標準無滑移邊界。

根據駕駛艙供風量設計要求，每名機組的最低新風需求量為0.75kg/min，按駕駛艙兩名駕駛員、一名觀察員的標準配給模式，得到駕駛艙所需最低新風量為2.25kg/min，即0.037 5m3/s，考慮到駕駛艙電子設備散熱、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種送風量工況，通過數值模擬方法得到最優送風量后，再對各送風口的風量、送風方向進行優化設計。各通風口參數見表1。

表1 送風口參數

1.3 數學模型

基于前文提出的駕駛艙物理模型和做出的假設，表征艙內流動和傳熱的連續性方程、動量方程、能量方程、標準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；T為時間量；Pr為普朗特數；ST為合并后的源項；k為湍流動能；ε為湍流耗散率；Gk為層流速度梯度產生的湍流動能；Gb為浮力產生的湍流動能；YM為擴散產生的波動；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σε是k方程和ε方程的湍流普朗特數；Sk和Sε是自定義參數。

1.4 求解策略

采用商用軟件ANSYS FLUENT 13進行求解，設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，其他參數的離散均選擇一階迎風格式，收斂值采用軟件默認的收斂標準，即能量項的殘差低于10-6，其余變量殘差低于10-3。

2 數值模擬和分析

2.1 PS模型

和傳統的熱舒適性指標PMV-PPD比較，PS模型可用來預測局部空氣運動可控時，人體對所處熱環境的滿意率，計算公式如下：

式中，PS為人體對所處熱環境的吹風感滿意率；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。人體臉部對吹風感最為敏感，選擇正副駕駛員和觀察員臉部中點為觀察點，分別為(1.336，1.088，0.532)、(1.336，1.088，-0.532)、(2.256，1.088，0)。

2.2 總送風量計算仿真

1.2節中已經設定了4種不同送風量的工況，左、右側操縱臺兩個圓形送風口出風速度相等，計算工況見表2。

表2 送風量計算工況

PS值計算結果如圖2所示。從圖中可看出，通風口參數、送風溫度恒定時，正副駕駛員和觀察員的吹風感滿意率隨著總送風量的增加而增大，正、副駕駛員的滿意率基本相同。送風量為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先級，且考慮到送風量繼續增大會增加空調系統負擔，可認為該送風量為最優工況。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 隨總送風量變化的PS值

2.3 新風量分配計算仿真

在總送風量為0.08m3/s時，對各送風口的空氣量進行分配，計算4種工況，見表3，比較4種工況下觀察點的PS值，得到最佳新風分配方案。

圖3 四種計算工況下駕駛員界面溫度場和速度場

表3 新風量分配計算工況

圖4給出了四種工況下觀察點PS值的計算結果，發現左、右側操縱臺送風口速度增大可增加人員滿意率，側面出風口速度2.4m/s時，人員的吹風感滿意率都達到了可接受程度，此時側面出風量占總送風量的40%。

圖4 不同新風量分配工況下的PS值

2.4 送風口出流方向計算仿真

在某一恒定送風速度下改變送風方向，計算模擬不同出流方向工況下人員的吹風感滿意率。總送風量為0.08m3/s，天花板送風口1.17m/s，側面送風口2m/s，考慮4種工況的側面送風方向，即在YZ平面內與Y軸夾角分別為0°、15°、30°、45°，仿真計算結果如圖5所示。

圖5 不同送風方向工況下的PS值

從圖中可看出側面送風方向與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。所以側面送風方向垂直于送風口時，駕駛艙內所有人員的舒適性均可保證。

2.5 溫度場和速度場模擬結果

圖6～圖9給出了總風量0.08m3/s，天花板送風速度1.05m/s，側面流速2.4m/s，送風方向垂直于送風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，這是因為出風口在正對座椅下方的地板上；觀察員區域溫度控制在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中規定的人體熱舒適性要求[7]。

3 結論

本文對某型民用客機的駕駛艙建立了數理模型，對其氣流組織進行了數值計算，選擇三個觀察點并基于PS模型評價各工況的優劣，得到以下結論：

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

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

(3)對側面送風方向進行了計算分析，最優工況為側面出風方向垂直于出風口。

(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，其結果完全滿足人體熱舒適性的標準，為民用飛機駕駛艙氣流組織的設計提供了參考。

[1] 袁建新.單通道民用飛機客艙氣流組織數值仿真研究[J].民用飛機設計與研究，2015,1: 11-14.

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

[3] 孫賀江，安璐，等.客機駕駛艙流場CFD模擬與熱舒適性分析[J].天津大學學報，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.客機駕駛艙供風系統的初步設計與數值模擬[D].南京：南京航空航天大學，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