客机驾驶舱流场CFD模拟与热舒适性分析

孙贺江，安 璐，冯壮波，龙正伟

(天津大学环境科学与工程学院，天津 300072)

驾驶舱作为主导飞机安全飞行的重要部位，其内部空气环境的温度、速度、湿度以及压力对于飞行员在不同飞行状态的舒适性及安全驾驶起着至关重要的作用．基于驾驶舱环境舒适状况对驾驶员的工作效率和健康情况的重要影响，对于飞行各阶段内客机驾驶舱的气流环境研究是十分迫切的．

国内对于驾驶舱环境的研究，袁修干等[1]最先建立了飞机座舱热力学特性的数学模型，对“舱-人”系统温度数学模型进行了分析研究．沈海峰等[2]建立了歼击机座舱供气流动边界条件计算模型，通过模型可以获得舱内流场计算的入口边界条件，提高流场的计算精度．薛红军等[3]通过 RadTherm平台进行人体热舒适性模型和驾驶舱环境对接，驾驶舱环境数值模拟结果和人体热舒适性评估结果相互验证用以综合评价驾驶舱环境的优劣．

国外对飞机客舱内部气流组织进行了深入研究，美国的波音公司和法国的空客公司等航空公司在客机的设计研发阶段[4-6]，对机舱内的空气气流流动和传热均进行数值模拟，并用实验进行验证．Zhang等[7]比较了客舱内混合送风、置换送风以及个性化送风3种送风方式在空气流场污染物排除方面的差异．Park等[8]针对客舱内乘客对于热舒适性的局部热感觉以及整体热感觉的相互关系进行了调查研究．

相对于客舱环境，飞机的驾驶舱是一个空间狭小、电子发热设备众多、受太阳辐射影响巨大的封闭空间．尤其是在高温季节，在飞机地面阶段，强太阳辐射以及舱外热空气传热、内部的蓄热等将会导致驾驶舱内的初始空气温度过高．飞机从停机状态启动，要经过一段时间的冷却过程使舱内环境温度达到登机要求后乘客方可登机．因而环控系统对驾驶舱进行冷却的效果以及舱内驾驶员的舒适性都是至关重要的．

因此，笔者对客机驾驶舱夏季地面阶段的气流组织以及驾驶员的热舒适性进行了数值仿真研究．

1 试验装置方法

1.1 物理模型及网格划分

以某型客机驾驶舱CATIA模型为基础建立几何模型，如图 1所示．考虑到真实的驾驶舱非常复杂，在不影响整体流场和温度场的前提下，笔者对驾驶舱内部构造进行了适当简化，如抹平仪表操纵台的边框按钮凸起、使用简化的人体模型等．在驾驶舱顶部驾驶员后方有2个送风口左右对称分布，送风气流通过圆形风管进入导流腔体，然后经送风口进入驾驶舱内．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 5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．

图1 驾驶舱模型Fig.1 Cockpit model

本研究采用 Gambit软件生成网格，由于驾驶舱几何的不规则性，网格划分形式采用非结构网格，生成的网格数量为3×106左右．为保证计算结果的准确性及计算资源的合理利用，网格划分时分别对座舱内送风口、出风口、人员及壁面附近区域进行了加密处理．全局的网格大小控制在 25,mm，由于送风口的复杂结构及其较小的几何尺寸，网格尺寸控制在 5,mm左右，人体附近网格尺寸控制在 15,mm．驾驶舱模型网格示意如图 2所示．另外，本研究同样生成数量为1×106、6×106的网格模型进行网格独立性验证，最终选择3×106网格进行计算．

图2 驾驶舱模型网格Fig.2 Cockpit model mesh

1.2 数学模型

本研究选用稳态 RNG k-ε 湍流模型来对驾驶舱地面夏季冷却过程进行仿真模拟[9]．稳态RNG k-ε 模型是近年来应用最广泛的一种雷诺时均方程(RANS)湍流模型．

控制方程包括连续型方程、动量方程、湍动能方程、湍流耗散率方程及能量方程，均可以写成通用形式，即

式中：ρ为材料密度；ui为 i方向的速度分量；xi为 i方向的坐标；,effφΓ为有效扩散系数；Sφ为源项；τ 为时间．

1.3 边界条件及求解设置

飞机驾驶舱地面阶段是一个不断变化的过程，为了尽量准确地模拟仿真这个阶段驾驶舱内的流场，需要考虑机舱围护结构蓄热和舱内空气的冷却，以及通过透明表面进入舱内的太阳辐射．因而驾驶舱的外围护结构的边界条件采用简化传热模型．

根据太阳辐射换热量的不同以及几何结构的差异性，将整个驾驶舱壁面分为若干个区域，每一个区域仅仅考虑沿着舱内向舱外的一维传热，忽略区域和区域之间的热量交换．在每一个计算时间步长内，舱壁和驾驶舱空气相互交换数据以更新热边界条件；CFD根据简化传热模型得到的边界条件进行流场迭代计算，简化传热模型在 CFD求得的流体温度基础上，再进行计算以得到新的舱壁区域温度分布．壁面围护结构内部节点的传热方程为

式中：cp为围护结构材料的比定压热容；ΔV为节点控制体的体积；S为节点控制体之间的交界面面积；j为节点编号；t为节点温度；Δτ为时间步长；q为壁面所吸收的太阳辐射热流量．进入舱内的太阳辐射大部分被舱内表面所吸收，其余部分折射，然后再吸收再折射．FLUENT软件的太阳计算器可以计算出特定地理位置特定时间的太阳辐射热流，并且可以计算出舱内各壁面所吸收的太阳辐射热流.

所以，驾驶舱的舱盖、地板、蒙皮以及窗户采用非稳态计算的传热模型UDF编程计算所得的热边界作为稳态输入边界条件；显示器和控制台的散热量一定，故采用固定热流的热边界条件；人体的边界条件采用固定温度 31,℃，因为人的体温是 36,℃左右，但是穿上衣服后表面温度约为 31,℃；舱内其他壁面受到固定太阳辐射热流，故采用固定热流的热边界条件；驾驶舱的后壁面设置为绝热壁面．另外，驾驶舱入口采用流量、温度入口，出口采用压力出口．

在FLUENT计算设置中，压力与动量方程的耦合方式采用 SIMPLE算法，压力离散采用STANDARD算法，动量的差分格式采用有限中心差分准则，其他变量的差分格式都采用一阶向前差分准则．考虑空气密度随温度的变化，对空气密度采用 Boussinesq假设．当能量的残差低于 1×10-6、其他变量的残差低于 1×10-3、并且监测点的参数变化稳定时，认为所计算的流场已经达到稳定收敛．

2 结果和讨论

2.1 流场分析

图3给出了采用稳态RNG k-ε模型模拟计算出的座舱内流场分布情况．从流场分布可以看出，驾驶舱大部分区域的流速范围在 0～0.2,m/s，而送风口附近风速较大达到 8,m/s左右．速度较大的送风经 45°向下导流格栅进入驾驶舱内，气流斜向下直吹向两侧壁面，在侧壁面形成较大气流旋涡，然后气流沿舱壁面进行流动．如图4所示，选取2个截面来进行驾驶员周围的流场分析．图5和图6分别表示驾驶员周围横、纵截面的速度场．可以看出，驾驶员的头部周围以及身体前侧的风速低于 0.2,m/s，身体两侧以及腿部风速低于 0.3,m/s．满足 ASHRAE(美国采暖、制冷与空调工程师学会)标准所规定的人员附近局部风速小于0.3,m/s的标准要求[10]．

图3 驾驶舱内流场分布Fig.3 Airflow distribution in cockpit

图4 驾驶舱内横、纵截面分布Fig.4 Vertical section and cross section in cockpit

图5 驾驶舱内驾驶员横截面流速分布Fig.5 Airflow vector on cross plane in cockpit

图6 驾驶舱内驾驶员纵截面流速分布Fig.6 Airflow vector on vertical plane in cockpit

2.2 温度场分析

如图7所示，选取驾驶员身体3个高度截面进行温度场分析．这里的脚部、腰部和头部是按照ASHRAE标准[10]定义的离地面 100,mm、600,mm 和1,090,mm的高度来选取的．图 8、图9和图 10分别表示驾驶员头部、腰部和脚部 3个平面的温度云图．ASHRAE标准[11]要求座舱温度范围在 18.3～23.9,℃之间，最高不超过 26.7,℃．从云图可以看出，驾驶员的头部、腰部和脚部附近的温度在 28～30,℃左右，明显有一些偏高．图11和图12为驾驶员的横截面和纵截面的温度云图．整个驾驶舱内的温度分布很不均匀，大部分空间的空气温度范围在 24～28,℃之间，但是靠近舱壁的区域温度多为 30,℃以上．温度低且速度大的送风气流先送入座椅后侧区域，经过衰减混合而变为温度高速度低的气流才进入前侧区域．因此，温度分布呈现出驾驶员座椅后侧区域的温度偏低而驾驶舱的前侧温度偏高的特点．

图7 驾驶舱水平截面分布Fig.7 Horizontal section in cockpit

图8 驾驶员头部截面温度云图Fig.8 Temperature contour on the plane of pilots’ head

图9 驾驶员腰部截面温度云图Fig.9 Temperature contour on the plane of pilots’ waist

图10 驾驶员脚部截面温度云图Fig.10 Temperature contour on the plane of pilots’ feet

图11 驾驶员横截面温度云图Fig.11 Temperature contour on cross plane

靠近舱壁的区域温度高的原因是舱壁温度高．而造成舱壁温度高的原因一方面是由于太阳辐射透过大面积的玻璃窗户进入驾驶舱并被舱内表面吸收；另一方面，显示仪表、电子设备和操纵控制设备的高发热率，使得这些设备的表面温度普遍较高．因此，在驾驶舱这个较小的封闭空间内，虽然空气温度已经基本达到制冷要求的 24,℃左右，但是较高的舱壁温度使得舱壁附近区域的空气温度仍然过高，并且会对驾驶员形成较高的辐射温度，从而可能会降低驾驶员的热舒适性．

2.3 舒适性分析

为了评估飞机在夏天地面冷却过程中驾驶舱内环境参数是否达到舒适性要求，本文进一步对驾驶舱内驾驶员的热感觉进行了分析．采用的是预测平均评价即PMV指标[10]，综合考虑环境因素和人自身的因素．PMV通过 6个因素来评价人的热感觉，其中环境因素有空气温度、平均辐射温度、空气相对湿度和空气流速；人的因素有新陈代谢率和服装热阻．其表达式为

式中：M 为新陈代谢率，W/m2；W 为人输出的外功，W/m2；fcl为着衣体表面与裸体表面之比；t为当地的空气温度，℃；tr为平均辐射温度，℃，近似等于围护结构内表面平均温度；tcl为衣服外表面的温度，℃；pa为水蒸气分压力，Pa；hc为衣服与空气之间的表面换热系数，W/(m2·℃)，其计算式为

式中var为空气流速，m/s．

表1给出了PMV与人热感觉的关系．在室内热环境可接受的PMV范围为-0.5～0.5之间．

图 13为驾驶舱内驾驶人员身体各部位的 PMV热感觉．可以看出，驾驶员感觉稍热．驾驶员身体各部分平均 PMV值为 1.1，特别是副驾驶员的身体PMV 值大于 1.0，没有达到热舒适性的要求．所以，此种情况下处于驾驶舱中的驾驶人员会感觉稍热．

表1 PMV与人热感觉的关系Tab.1 Relationship between PMV and thermal comfort of human

图13 驾驶员身体各部位PMV值云图Fig.13 PMV contour on pilots body parts

2.4 热舒适影响因素分析

热舒适环境一般取决于2方面因素．一是环境因素，即空气温度、空气流速、平均辐射温度和空气相对湿度；另一方面是人的因素，即新陈代谢率和服装热阻．因而，人热舒适性的好坏是这些因素综合影响的结果．在驾驶舱热舒适性 PMV的计算中，由于主要考虑环境因素对 PMV的影响，所以取人相关因素为常数．其中人体所做的机械功 W 在静坐时为 0.人体的新陈代谢率定为 70,W/m2，这是坐姿活动者所具有的新陈代谢水平．服装热阻为 0.08,m2·℃/W，属于夏季服装类型．另外，驾驶舱是一个低湿的环境，空气相对湿度设为20%．

在本文研究的算例中，驾驶员周围空气温度在24～26,℃，空气流速在 0.2,m/s左右，均已达到环境控制参数的要求．但是驾驶员身体表面的PMV值仍然略高，表明驾驶员仍然稍不舒适，对于 PMV进行参数分析可以发现主要问题在于空气平均辐射温度过高，达到了 35,℃．平均辐射温度是环境表面对人体辐射作用的平均温度．由于驾驶舱的围护结构的内表面温度各不相同也不均匀，如窗玻璃受太阳直接照射表面温度较高，还有操纵台和仪表等设备自身发热使得温度较高．这些不同温度的表面都会直接影响人体的热状况，造成人体受到不对称热辐射而感觉到不舒适．

平均辐射温度直接受到壁面温度的影响，因此，如果驾驶舱的内壁面温度能有所下降，驾驶员的热舒适性就一定会有所提高．因此，本文对于驾驶舱窗户进行加装遮阳板后情况进行了进一步模拟．在模拟计算时，假设窗户只透过50%的太阳辐射热量．图14为改装窗户后的计算结果，给窗户改装后驾驶员的热舒适性指标 PMV有明显降低，即人的热舒适性有提高，人体周围 PMV 指标已接近-0.5～0.5之间．这正是由于改装后的窗户减少了太阳辐射进入而降低壁板温度，继而降低了平均辐射温度，提高了人体的热舒适性．

图14 改装窗户后驾驶员身体各部位PMV值云图Fig.14 PMV contour on pilots’ body parts after sunshade

3 结 论

针对驾驶舱的几何构型、传热过程特点，构建了相应的壁面传热模型和流场 CFD模型，对驾驶舱模型在夏季工况下地面阶段的流场、温度场以及驾驶员的热舒适性进行了数值模拟分析．获得的重要结论如下：

(1) 驾驶舱经过稳态冷却后，除了靠近壁面的局部区域温度稍高外，驾驶员周围空气的温度和速度基本达到客舱舒适度要求．但驾驶员自身的热舒适指标略微偏高．

(2) 驾驶员自身的热不舒适的主要原因是舱内空气平均辐射温度过高，如果停机及冷却过程中对驾驶舱窗户进行一定的改装，以减少辐射得热，降低各壁面的温度，能够在启动冷却阶段显著提高驾驶员自身的热舒适感觉．

［1］ 林国华，杨燕生，袁修干. 座舱环控系统气流组织的数值研究[J]. 应用基础与工程科学学报，1998，6(3)：302-307.

Lin Guohua，Yang Yansheng，Yuan Xiugan. Numerical simulation of flow fields and heat transfer within airconditioning cockpit[J].Journal of Basic Science and Engineering，1998，6(3)：302-307(in Chinese).

［2］ 沈海峰，袁修干. 歼击机座舱空气流动和传热模拟实验[J]. 北京航空航天大学学报，2009，35(9)：1108-1112.