某型民用飞机驾驶舱流场仿真优化研究

牛越　杨智

【摘 要】本文采用商业流体力学计算软件，计算了某型号飞机驾驶舱内部的流场分布情况，重点分析了主副驾驶员及观察员周围空气流速分布情况，并分析和解释了流场形成原因，为驾驶舱通风系统优化设计提供理论依据。

【关键词】驾驶舱；流场；仿真

0 前言

民用飞机驾驶舱是民用客机中的重要舱室，其舒适性与飞机驾驶员健康及情绪息息相关，甚至可对驾驶员行为能力和判断能力产生影响，而驾驶舱内流场分布是否合理对驾驶舱舒适性起着至关重要的作用。因此，在飞机设计和优化过程中，必须考虑驾驶舱内流场分布情况。

本研究以某型号飞机驾驶舱为例，采用商业计算流体力学仿真软件，对驾驶舱内流场分布情况进行了分析研究，为驾驶舱通风系统优化设计提供理论依据。

1 驾驶舱计算模型

为便于进行流体力学仿真计算，将驾驶舱三维模型简化结果如图1所示。简化模型外形轮廓提取了驾驶舱天花板、地板、座椅、显示器、控制台、主风窗、通风窗和后观察窗等。

驾驶舱送风口位于驾驶舱顶部、驾驶员侧后上方。送风气流通过圆形风管进入导流腔体（缓冲腔），然后经送分口进入驾驶舱内。驾驶舱的回风口位于显示器下方驾驶员腿部前侧内凹处。驾驶舱内设主驾驶位和副驾驶位以及观察员位置。此外，驾驶舱内部仪表盘上有五块显示器，中部有一个控制台，左右两侧各有柜台，并且左右对称分布了主风窗、通风窗和后观察窗。

2 计算网格划分与计算模型设置

2.1 计算网格划分

为提高精度，最大限度的还原驾驶舱内部结构，保证计算的准确性与可靠性，对简化模型内部表面进行包面处理，最大内表面包面尺寸设定为5*10-4m。网格划分工作同样采用Star-CCM+进行。划分方法采用表面重构、多面体网格、边界层网格与自动表面修复，网格基准尺寸为0.01m，网格数量约为600万。

2.2 计算模型设置

计算工况为热天地面条件（蒙皮温度40℃）。计算模型采用三维稳态计算方法、K-ε湍流模型、分离流流动模型与能量模型。

2.2.1 对流换热类型的判断

根据工程经验，驾驶舱内部空气流速一般非常低，大部分区域的流速小于1m/s，自然对流为主要换热方式。在模拟自然对流时，通常采用两种方法：Boussinesq近似和不可压缩理想气体模型。一般来说，采用Boussinesq近似更容易收敛，所以本次模拟采用Boussinesq近似。

2.2.2 流态的判断

根据前面的判断，驾驶舱内的对流换热类型为自然对流换热，此时流态的判断采用瑞利数Ra（Raleigh number）（而强迫对流条件下，流态的判断采用雷诺数Re）。如果Ra>109，则为湍流，否则为层流。经计算得到，驾驶舱内Ra≈7.31×109>109， 可知驾驶舱内部的流态为湍流。

3 计算结果

如图2所示，为驾驶员及副驾驶员附近横断面速度云图，可以看出，在106架机构型和新构型中，驾驶舱大部分区域流速在0-0.3m/s之间，驾驶员及副驾驶员身体附近空气流速均在0.2m/s以下，基本满足舒适性要求。

如图3所示，为观察员附近竖直横断面速度云图，可以看出，观察员头顶天花板附近出现局部较大流速，向下流速逐渐减弱，至观察员头部附近空气流速约为0.4～0.5m/s。分析该处空气流速较高的原因，空气由出风口流出后，受到两侧隔板的阻挡，沿两侧天花板向高处流动，两股流体在天花板顶部汇集后向下方扩散，造成观察员顶部天花板附近空气出现局部较大流速。

图4展示了驾驶员头部附近水平截面速度分布云图，由于机内人员头部附近空气流速较低，且流场中流速在1m/s以上的区域距离主副驾驶员及观察员较远，为便于分析机内人员头部附近流场分布情况，设置流速显示范围为0～1m/s。根据计算结果，观察员头部左后方流速略高于设计要求，达到0.3m/s，其他区域满足设计要求。综合评价，主副驾驶员及观察员头部附近空气流速在可接受范围内。

如图5所示，为驾驶员腰部附近水平截面速度分布云图。同样设置流速显示范围为0～1m/s。空气流速较高的区域集中在驾驶舱左右两个角落及主副驾驶员座椅后部，基本不会对驾驶舱内人员舒适性产生影响。驾驶员左后部附近出现局部较大风速，达到0.6～0.7m/s左右，但未扩散至驾驶员两侧，驾驶员左臂附近流速在0.2～0.25m/s之间，满足舒适性要求。

如图6所示，为驾驶员脚部附近水平截面速度分布云图。流速显示范围为0～1m/s。主副驾驶员及观察员脚步附近流速满足舒适性要求，空气流速在0.5m/s以下。

4 结论

本研究计算了某型号飞机驾驶舱内流场分布情况，重点分析了主副驾驶员及观察员周围空气流速分布情況，得到结论如下：

a）观察员头部左侧空气流速略高，对观察员舒适性有一定影响。

b）主副驾驶员周围空气流速均在0.5m/s以下，基本满足舒适性要求。

c）驾驶舱流场整体分布情况在可接受范围内。

[责任编辑：田吉捷]