牛越　楊智

【摘 要】本文采用商業(yè)流體力學(xué)計(jì)算軟件，計(jì)算了某型號(hào)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況，重點(diǎn)分析了主副駕駛員及觀察員周?chē)諝饬魉俜植记闆r，并分析和解釋了流場(chǎng)形成原因，為駕駛艙通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】駕駛艙；流場(chǎng)；仿真

0 前言

民用飛機(jī)駕駛艙是民用客機(jī)中的重要艙室，其舒適性與飛機(jī)駕駛員健康及情緒息息相關(guān)，甚至可對(duì)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(chǎng)分布是否合理對(duì)駕駛艙舒適性起著至關(guān)重要的作用。因此，在飛機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，必須考慮駕駛艙內(nèi)流場(chǎng)分布情況。

本研究以某型號(hào)飛機(jī)駕駛艙為例，采用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件，對(duì)駕駛艙內(nèi)流場(chǎng)分布情況進(jìn)行了分析研究，為駕駛艙通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 駕駛艙計(jì)算模型

為便于進(jìn)行流體力學(xué)仿真計(jì)算，將駕駛艙三維模型簡(jiǎn)化結(jié)果如圖1所示。簡(jiǎn)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(tái)、主風(fēng)窗、通風(fēng)窗和后觀察窗等。

駕駛艙送風(fēng)口位于駕駛艙頂部、駕駛員側(cè)后上方。送風(fēng)氣流通過(guò)圓形風(fēng)管進(jìn)入導(dǎo)流腔體（緩沖腔），然后經(jīng)送分口進(jìn)入駕駛艙內(nèi)。駕駛艙的回風(fēng)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(shè)主駕駛位和副駕駛位以及觀察員位置。此外，駕駛艙內(nèi)部?jī)x表盤(pán)上有五塊顯示器，中部有一個(gè)控制臺(tái)，左右兩側(cè)各有柜臺(tái)，并且左右對(duì)稱(chēng)分布了主風(fēng)窗、通風(fēng)窗和后觀察窗。

2 計(jì)算網(wǎng)格劃分與計(jì)算模型設(shè)置

2.1 計(jì)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(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性，對(duì)簡(jiǎn)化模型內(nèi)部表面進(jìn)行包面處理，最大內(nèi)表面包面尺寸設(shè)定為5*10-4m。網(wǎng)格劃分工作同樣采用Star-CCM+進(jìn)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(dòng)表面修復(fù)，網(wǎng)格基準(zhǔn)尺寸為0.01m，網(wǎng)格數(shù)量約為600萬(wàn)。

2.2 計(jì)算模型設(shè)置

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

2.2.1 對(duì)流換熱類(lèi)型的判斷

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，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(duì)流為主要換熱方式。在模擬自然對(duì)流時(shí)，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(lái)說(shuō)，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(duì)流換熱類(lèi)型為自然對(duì)流換熱，此時(shí)流態(tài)的判斷采用瑞利數(shù)Ra（Raleigh number）（而強(qiáng)迫對(duì)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(jì)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(jì)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(jī)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(fēng)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(dòng)，兩股流體在天花板頂部匯集后向下方擴(kuò)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(jī)內(nèi)人員頭部附近空氣流速較低，且流場(chǎng)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(yuǎn)，為便于分析機(jī)內(nèi)人員頭部附近流場(chǎng)分布情況，設(shè)置流速顯示范圍為0～1m/s。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，觀察員頭部左后方流速略高于設(shè)計(jì)要求，達(dá)到0.3m/s，其他區(qū)域滿足設(shè)計(jì)要求。綜合評(píng)價(jià)，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(shè)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(gè)角落及主副駕駛員座椅后部，基本不會(huì)對(duì)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(fēng)速，達(dá)到0.6～0.7m/s左右，但未擴(kuò)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(jì)算了某型號(hào)飛機(jī)駕駛艙內(nèi)流場(chǎng)分布情況，重點(diǎn)分析了主副駕駛員及觀察員周?chē)諝饬魉俜植记闆r，得到結(jié)論如下：

a）觀察員頭部左側(cè)空氣流速略高，對(duì)觀察員舒適性有一定影響。

b）主副駕駛員周?chē)諝饬魉倬?.5m/s以下，基本滿足舒適性要求。

c）駕駛艙流場(chǎng)整體分布情況在可接受范圍內(nèi)。

[責(zé)任編輯：田吉捷]