楊 智 龍正偉 汪光文

民用飛機(jī)座艙溫度場仿真分析與研究

楊 智1龍正偉2汪光文1

（1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 上海 201210；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300072）

極端氣候條件下民用飛機(jī)座艙溫度場驗(yàn)證是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，首先基于某型民用飛機(jī)座艙幾何參數(shù)，建立CFD計(jì)算模型；其次采用該模型計(jì)算常溫環(huán)境下的座艙溫度場，并與試驗(yàn)對比以驗(yàn)證模型；最后再采用驗(yàn)證過的模型計(jì)算極端氣候條件下的座艙溫度場，以驗(yàn)證某型民用飛機(jī)極端氣候條件下座艙溫度場是否滿足設(shè)計(jì)要求。

座艙；溫度場；CFD

0 引言

舒適性是民用飛機(jī)的關(guān)鍵要求之一，座艙溫度是旅客感受民用飛機(jī)舒適性的直接因素。同時(shí)民用飛機(jī)的飛行高度一般在9000～12000m左右，艙外環(huán)境溫度在可低至-65℃左右。在如此極端的環(huán)境下，維持座艙溫度場在合適的范圍內(nèi)是民用飛機(jī)的基本要求之一。為此，民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求中規(guī)定了座艙溫度場的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，這些設(shè)計(jì)要求的驗(yàn)證是民用飛機(jī)研制中非常重要的環(huán)節(jié)。極端氣候條件下如地面環(huán)境溫度為-40℃時(shí)，座艙溫度設(shè)計(jì)要求如何驗(yàn)證是民用飛機(jī)研制中的難題，一是地面環(huán)境溫度為-40℃的氣候條件較難尋找，且影響民用飛機(jī)研制進(jìn)度；二是若采用試驗(yàn)驗(yàn)證，花費(fèi)巨大且耗時(shí)耗力；三是座艙人員對座艙溫度場影響較大，而民用飛機(jī)試飛時(shí)座艙人員很難滿載。因此若可通過計(jì)算驗(yàn)證極端氣候條件下座艙人員滿載時(shí)的座艙溫度設(shè)計(jì)要求，將對民用飛機(jī)的研制有積極地推動和指導(dǎo)作用。

本文針對極端氣候條件下民用飛機(jī)座艙溫度場設(shè)計(jì)要求驗(yàn)證問題，基于某型民用飛機(jī)座艙真實(shí)的幾何參數(shù)，建立CFD計(jì)算模型，采用該模型計(jì)算常溫環(huán)境下的座艙溫度場，并與試驗(yàn)對比驗(yàn)證模型后，再用于極端氣候條件下的座艙溫度場計(jì)算，以驗(yàn)證某型民用飛機(jī)極端氣候條件下座艙溫度場是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 民用飛機(jī)座艙溫度場設(shè)計(jì)要求

SAE ARP 85[1]中定義了民用飛機(jī)座艙溫度需要滿足的要求，如表1所示。

表1 SAE ARP 85座艙溫度要求

SHRAE161-2007[2]也規(guī)定了飛機(jī)座艙溫度設(shè)計(jì)要求，如表2所示。

表2 ASHRAE 161-2007座艙溫度要求

2 座艙溫度場計(jì)算模型

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)某型飛機(jī)座艙真實(shí)三維幾何模型，建立相應(yīng)的CFD數(shù)值模擬模型。座艙天花板附近及行李架附近左右兩側(cè)各設(shè)置一送風(fēng)口，即總共有四個(gè)送風(fēng)口?；仫L(fēng)口設(shè)置于地板附近兩側(cè)側(cè)壁面上，幾何模型如圖1所示。

圖1 座艙幾何模型示意圖

網(wǎng)格生成工具采用Gambit軟件，網(wǎng)格劃分形式采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格數(shù)量為1000萬。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性及計(jì)算資源的合理利用，網(wǎng)格劃分時(shí)分別對座艙內(nèi)送風(fēng)口、回風(fēng)口及壁面附近進(jìn)行了加密處理，網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

圖2 座艙網(wǎng)格示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

采用RANS湍流模型中穩(wěn)態(tài)RNG-模型對座艙內(nèi)氣流分布進(jìn)行模擬預(yù)測。對于穩(wěn)態(tài)RNG-模型，壓力與動量方程的耦合方式采用SIMPLE算法；空間離散方法中，壓力離散采用PRESTO算法，動量的差分格式采用有限中心差分準(zhǔn)則，其它變量的壓力差分格式都采用二階向前差分準(zhǔn)則。當(dāng)能量的殘差低于10-7，其他變量的殘差低于10-4時(shí)，認(rèn)為所計(jì)算的流場已經(jīng)達(dá)到收斂。

2.3 模型驗(yàn)證

2.3.1 常溫天座艙溫度場測試

按照ASHRAE161-2007中的要求，分別在某型飛機(jī)座艙前部、中部以及后部區(qū)域布置三維風(fēng)速儀，測量了座艙無乘客時(shí)每個(gè)區(qū)域距離地板100mm、610mm、1090mm處的溫度和速度；并使用熱成像儀測量了座艙天花板、地板、內(nèi)飾壁面等模型計(jì)算中采用的邊界參數(shù)。試中采用的超聲波風(fēng)速儀如圖3所示。

圖3 超聲波風(fēng)速儀示意圖

2.3.2 常溫天座艙溫度場計(jì)算

采用模型計(jì)算了常溫天時(shí)座艙無乘客時(shí)流場與溫度場，計(jì)算時(shí)采用的邊界條件如表3所示。

表3 常溫天工況座艙內(nèi)邊界條件

座艙流場與溫度場計(jì)算結(jié)果示意如圖4～6所示。

圖4 座艙內(nèi)流場分布

圖5 座艙內(nèi)走廊中央沿機(jī)身方向流場分布

圖6 座艙內(nèi)走廊中央沿機(jī)身方向溫度分布

2.3.3 座艙溫度場測試與計(jì)算結(jié)果對比

常溫天座艙溫度場測試與試驗(yàn)測量結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 座艙溫度場測試與計(jì)算結(jié)果對比

根據(jù)模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比情況可以看出，無論是從數(shù)值的大小與變化的趨勢上看，兩種計(jì)算工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)都能有較好的吻合，證明了現(xiàn)有數(shù)值計(jì)算方法對座艙溫度場進(jìn)行預(yù)測的正確性，即計(jì)算模型可以用來驗(yàn)證極端氣候條件冷天工況下的座艙溫度場。

3 極端氣候冷天座艙溫度場計(jì)算

采用上述計(jì)算模型對某型飛機(jī)冷天座艙人員滿載時(shí)座艙流場與溫度場進(jìn)行了計(jì)算，以驗(yàn)證極端氣候條件冷天（地面環(huán)境溫度為-40℃）工況下、座艙人員滿載時(shí)的座艙溫度場要求。計(jì)算時(shí)采用的邊界條件設(shè)置如表4所示。

表4 冷天地面工況座艙內(nèi)邊界

座艙流場與溫度場計(jì)算結(jié)果示意如圖8～13所示。

圖8 座艙內(nèi)流場分布

圖9 座艙內(nèi)走廊中央沿機(jī)身方向流場分布

圖10 座艙內(nèi)走廊中央沿機(jī)身方向溫度場場分布

圖11 座艙溫度場分布示意圖（頭靠位置）

圖12 座艙溫度場分布示意圖（腰部位置）

圖13 座艙溫度場分布示意圖（腳部位置）

座艙內(nèi)空間溫度變化計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 空間溫度變化計(jì)算結(jié)果

由表5可知，某型飛機(jī)冷天座艙空間溫度變化滿足表2中ASHRAE 161-2007座艙溫度要求。

4 結(jié)論

基于某型民用飛機(jī)座艙真實(shí)的幾何參數(shù)，建立了CFD計(jì)算模型。采用計(jì)算模型計(jì)算了常溫天地面環(huán)境下的座艙溫度，并與試驗(yàn)對比驗(yàn)證了計(jì)算模型后；采用驗(yàn)證后的計(jì)算模型計(jì)算了極端氣候條件冷天下的座艙溫度，解決了極端氣候條件下座艙溫度驗(yàn)證問題，并減少試驗(yàn)測試，節(jié)約了飛機(jī)研制成本。

[1] Society of Automotive Engineers. SAE ARP 85 Air Conditioning Systems For Subsonic Airplanes[S].

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[7] 林國華,楊燕生,袁修干.座艙環(huán)控系統(tǒng)氣流組織的數(shù)值研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),1998,6(3):302-307.

[8] 林國華.空調(diào)座艙流體流動和傳熱的數(shù)值研究[M].北京:北京航空航天大學(xué),1998.

Simulation Research and Analysis of Cabin Temperature Filed for Civil Aircraft

Yang Zhi1Long Zhengwei2Wang Guangwen1

( 1.Shanghai Aircraft Design and Research Institue, Shanghai,201210; 2.School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin, 300072 )

The cabin temperature filed verification is difficult at extreme cold and hot day in civil aircraft design. In this paper, the CFD calculation model was built duet to the cabin geometry parameter. Then the cabin temperature filed at stand day was calculated to use the CFD model, and at the same time the calculation result was compared with the test to validated the model. With the validated model, the cabin temperature filed at extreme cold and hot day was calculated to validate the cabin temperature filed requirement is met or not.

Cabin; temperature filed; CFD

V245.3

A

1671-6612（2020）03-312-04

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2012CB720100）

楊 智（1984.10-），男，碩士研究生，高級工程師，E-mail：yangzh@comac.cc

2019-05-25