综合显示头盔外流场气动特征的仿真分析

吴亮　李磊子

摘 要：该文以综合显示头盔为研究对象，对其进行合理简化，获得了接近实体的头盔面罩组合体几何模型。利用CFD技术，采用有限体积法，对配装此综合显示头盔的人椅系统进行了外流场气动特征的仿真分析，获取了综合显示头盔的外流场气动特征及颈部升力、阻力。主要研究内容包括：（1）气动建模；（2）气动网格划分；（3）气动特征求解。

关键词：头盔 外流场 仿真 气动特征

中图分类号：U260 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0029-02

随着航空科技的发展，战斗机性能得到了很大的提高，对飞行员安全救生防护性能的要求也越来越高。为了研究头盔面罩的防护性能，其气动参数是不可或缺的重要参数。传统获取气动参数的方法主要是对实体进行风洞吹风试验，这种方法需要耗费大量的人力物力，而且还受到试验条件和设备的制约，所获得的气动参数的数量无法满足工程研究的需要。如何得到大量必需的气动参数已经成为救生产品性能研究中急需解决的首要问题。随着计算流体力学（CFD）技术的发展，利用数值模拟的方法获得实体的气动参数成为了可能。从20世纪90年代开始，国外就开始尝试用数值的方法研究气动特性，其发展过程经历了从二维到三维，从求解欧拉方程，附面层的N-S方程到求解全流场N-S方程的数值方法。目前，CFD已经成功用于包括座椅、头盔在内的航空产品气动特性的计算，包括亚音速，跨音速和超音速气动特性的计算。

该综合显示头盔进行CFD计算，能获取理论上的气动参数，从而对综合显示头盔的强度、流场分布等进行研究。因此，对综合显示头盔进行CFD气动参数进行计算是非常必要的。

1 仿真过程

该次针对综合显示头盔的CFD数值模拟分析采用商用CFD软件NUMECA，该软件由三大模块组成，分别为前处理网格划分模块Hexpress，求解器模块Hexstream，后处理模块CFView。具体研究工作及开展顺序如下。

（1）几何确定：即采用CAD软件对头盔面罩组合体进行几何建模；

（2）网格生成：将几何模型导入网格生成软件Hexpress中进行网格生成；

（3）流场计算：将生成的网格导入求解器Hexstream中进行流场计算；

（4）结果后处理：利用CFView对计算结果进行可视化，得出模型流场分布和压力分布云图。

1.1 几何建模

为了更好的分析研究综合显示头盔在弹射状态下的气动特征，该文建立了两个三维几何模型。第一个模型为导流板未展开时的人椅系统三维几何模型（以下统称第一模型），第二模型为导流板完全展开时的人椅系统三维几何模型（以下统称第二模型），以考察导流板对头盔的气动影响。

1.2 网格划分

网格生成技术的本质是坐标转换技术，它是计算流体力学（CFD）的重要组成部分。

网格的质量对数值模拟的结果有着很大的影响，过密和过疏的网格都是不利于计算的。网格过疏往往会得到完全错误的结果，有时候还会造成计算结果不收敛；而过密的网格会使计算量大幅度增加，不仅对计算机硬件的要求较高，而且增加了计算时间。网格从密到疏的过程要缓和，保证物理几何的光滑过渡，在流场梯度（速度梯度、压力梯度等）较大的区域需要足够细密的网格，而在流场梯度较小的区域则使用比较粗的网格，在保证网格整体质量的前提下尽量减小网格的数目和减少计算量及收敛的稳定性。

由于人椅系统外形较为复杂，为了保证较好的网格质量，在一些流场梯度较大区域及人体与弹射座椅的细小缝隙处均进行了局部加密，以保证网格的正交性和光滑性。由于该文主要研究头盔面罩组合体气动特征，所以针对头部区域也进行了适当的网格加密处理。

1.3 流场计算

网格划分完成后，将网格读入NUMECA软件的求解器中进行求解。在求解之前需要设置求解参数、湍流模型、边界条件等。需要设置的求解参数主要有流体介质的物性参数，计算时的基准压力以及计算气动参数所需要的参考面积、参考长度等参考值。控制方程采用雷诺平均N-S方程；湍流模型采用S-A模型；人-椅模型表面采用无滑移的固壁边界条件。设置好边界条件后就开始进行迭代计算，迭代计算需要先确定一个残差收敛的精度，迭代过程中如果残差达到所设定的收敛精度的要求，迭代就自动停止。

1.3.1 主要参数设置

该文在进行模型数值计算时，来流采用理想气体，主要参数为：

1.3.2 边界条件和初始条件设置

（1）压力远场边界

流场的前、后、上、下、左侧边界取为压力远场边界，右侧为对称面。压力远场条件用于模拟无穷远来流的可压缩流动，并指定自由来流的速度、方向、静态条件以及湍流参数。

（2）壁面边界

壁面是流场中最常见的边界。对于粘性流体，一般采用粘附条件。人-椅模型表面采用无滑移的固壁边界条件。

（3）初始条件

计算开始时的流动条件称为初始条件。对于非定常问题（既所求解随时间变化），初始条件一般由所考虑的具体问题给出，对于定常问题（即解不随时间变化），需要以某种初始条件出发，通过时间迭代，以收敛到定常解。

2 仿真结果后处理分析

该文利用NUMECA软件求解器模块求解雷诺平均N-S方程，对第一模型和第二模型进行了流场数值仿真模拟，考察了马赫数0.9、1.1下的人椅系统在导流板展开及未展开情况下的绕流流场情况，求得了综合显示头盔面罩组合体的气动参数值及压力分布情况。图1为第一模型、第二模型在1100 km/h速度下的对称面流场速度矢量图。

在迭代计算收敛完成结束后，将头盔外盔各部分的升力相加可得到外盔受到的升力，将外盔和内盔以及头部各部分所受到的升力相加可得到颈部受到升力， 由于外盔直接与头靠伞箱接触，其受到的阻力被头靠伞箱抵消，不直接作用于颈部，所以颈部受到的阻力为内盔与头部各部分所受到的阻力之和，结果见表1。

从计算结果可以看出，由于第一模型、第二模型均是不规则的钝头体，造成气体经过后其后部均有较大的尾流，且随着马赫数的增大，尾流越来越大。最大正压始终位于迎风面，随着速度的增加，迎风面承受压力越大，颈部升、阻力都呈增大趋势。通过对比导流板展开和未展开两种情况下的升力值和阻力值看到，在相同状态下，导流板展开后，颈部阻力比导流板未展开时大大减小，而颈部升力则变化不大。

颈部阻力大小是由人头组合体正面静压值与人头组合体后部静压值的差值决定的，通过流场速度矢量图清楚看到，在导流板展开后，正面吹袭头盔的气流部分被导流板阻挡，头盔正面的静压力大大降低，头盔的前后压差减小，从而导致头盔的阻力变小。

颈部升力大小是由气流吹袭人椅系统时人头组合体顶部静压值与组合体下部静压值之差决定的，在导流板展开后，在导流板附近流场部分气流产生绕流动作，导致人头组合体顶部的静压力有所增大，但并不明显，这也是导流板展开后颈部升力略有减小的原因。

参考文献

[1] 向化，王江云.飞行仿真器综合显示系统关键技术研究[J].系统仿真学报，2006（S2）：483-485，489.

[2] 颜声远，于晓洋，张志俭，等.多仪表综合显示系统人机界面的虚拟评价研究[J].系统仿真学报，2007（12）：2720-2722，2726.endprint