某型民用飛機駕駛艙流場仿真優(yōu)化研究

牛越　楊智

【摘 要】本文采用商業(yè)流體力學計算軟件，計算了某型號飛機駕駛艙內(nèi)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(tǒng)優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

【關(guān)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(guān)，甚至可對駕駛員行為能力和判斷能力產(chǎn)生影響，而駕駛艙內(nèi)流場分布是否合理對駕駛艙舒適性起著至關(guān)重要的作用。因此，在飛機設計和優(yōu)化過程中，必須考慮駕駛艙內(nèi)流場分布情況。

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

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(jié)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(cè)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(jīng)送分口進入駕駛艙內(nèi)。駕駛艙的回風口位于顯示器下方駕駛員腿部前側(cè)內(nèi)凹處。駕駛艙內(nèi)設主駕駛位和副駕駛位以及觀察員位置。此外，駕駛艙內(nèi)部儀表盤上有五塊顯示器，中部有一個控制臺，左右兩側(cè)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(wǎng)格劃分與計算模型設置

2.1 計算網(wǎng)格劃分

為提高精度，最大限度的還原駕駛艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證計算的準確性與可靠性，對簡化模型內(nèi)部表面進行包面處理，最大內(nèi)表面包面尺寸設定為5*10-4m。網(wǎng)格劃分工作同樣采用Star-CCM+進行。劃分方法采用表面重構(gòu)、多面體網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格與自動表面修復，網(wǎng)格基準尺寸為0.01m，網(wǎng)格數(shù)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(wěn)態(tài)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(jù)工程經(jīng)驗，駕駛艙內(nèi)部空氣流速一般非常低，大部分區(qū)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(tài)的判斷

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

3 計算結(jié)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(gòu)型和新構(gòu)型中，駕駛艙大部分區(qū)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(xiàn)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(cè)隔板的阻擋，沿兩側(cè)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(xiàn)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(nèi)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(qū)域距離主副駕駛員及觀察員較遠，為便于分析機內(nèi)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(jù)計算結(jié)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(qū)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(nèi)。

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?？諝饬魉佥^高的區(qū)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(nèi)人員舒適性產(chǎn)生影響。駕駛員左后部附近出現(xiàn)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(cè)，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(jié)論

本研究計算了某型號飛機駕駛艙內(nèi)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(jié)論如下：

a）觀察員頭部左側(cè)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(nèi)。

[責任編輯：田吉捷]