綜合顯示頭盔外流場氣動特征的仿真分析

吳亮　李磊子

摘 要：該文以綜合顯示頭盔為研究對象，對其進(jìn)行合理簡化，獲得了接近實體的頭盔面罩組合體幾何模型。利用CFD技術(shù)，采用有限體積法，對配裝此綜合顯示頭盔的人椅系統(tǒng)進(jìn)行了外流場氣動特征的仿真分析，獲取了綜合顯示頭盔的外流場氣動特征及頸部升力、阻力。主要研究內(nèi)容包括：（1）氣動建模；（2）氣動網(wǎng)格劃分；（3）氣動特征求解。

關(guān)鍵詞：頭盔 外流場 仿真 氣動特征

中圖分類號：U260 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0029-02

隨著航空科技的發(fā)展，戰(zhàn)斗機(jī)性能得到了很大的提高，對飛行員安全救生防護(hù)性能的要求也越來越高。為了研究頭盔面罩的防護(hù)性能，其氣動參數(shù)是不可或缺的重要參數(shù)。傳統(tǒng)獲取氣動參數(shù)的方法主要是對實體進(jìn)行風(fēng)洞吹風(fēng)試驗，這種方法需要耗費(fèi)大量的人力物力，而且還受到試驗條件和設(shè)備的制約，所獲得的氣動參數(shù)的數(shù)量無法滿足工程研究的需要。如何得到大量必需的氣動參數(shù)已經(jīng)成為救生產(chǎn)品性能研究中急需解決的首要問題。隨著計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值模擬的方法獲得實體的氣動參數(shù)成為了可能。從20世紀(jì)90年代開始，國外就開始嘗試用數(shù)值的方法研究氣動特性，其發(fā)展過程經(jīng)歷了從二維到三維，從求解歐拉方程，附面層的N-S方程到求解全流場N-S方程的數(shù)值方法。目前，CFD已經(jīng)成功用于包括座椅、頭盔在內(nèi)的航空產(chǎn)品氣動特性的計算，包括亞音速，跨音速和超音速氣動特性的計算。

該綜合顯示頭盔進(jìn)行CFD計算，能獲取理論上的氣動參數(shù)，從而對綜合顯示頭盔的強(qiáng)度、流場分布等進(jìn)行研究。因此，對綜合顯示頭盔進(jìn)行CFD氣動參數(shù)進(jìn)行計算是非常必要的。

1 仿真過程

該次針對綜合顯示頭盔的CFD數(shù)值模擬分析采用商用CFD軟件NUMECA，該軟件由三大模塊組成，分別為前處理網(wǎng)格劃分模塊Hexpress，求解器模塊Hexstream，后處理模塊CFView。具體研究工作及開展順序如下。

（1）幾何確定：即采用CAD軟件對頭盔面罩組合體進(jìn)行幾何建模；

（2）網(wǎng)格生成：將幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格生成軟件Hexpress中進(jìn)行網(wǎng)格生成；

（3）流場計算：將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入求解器Hexstream中進(jìn)行流場計算；

（4）結(jié)果后處理：利用CFView對計算結(jié)果進(jìn)行可視化，得出模型流場分布和壓力分布云圖。

1.1 幾何建模

為了更好的分析研究綜合顯示頭盔在彈射狀態(tài)下的氣動特征，該文建立了兩個三維幾何模型。第一個模型為導(dǎo)流板未展開時的人椅系統(tǒng)三維幾何模型（以下統(tǒng)稱第一模型），第二模型為導(dǎo)流板完全展開時的人椅系統(tǒng)三維幾何模型（以下統(tǒng)稱第二模型），以考察導(dǎo)流板對頭盔的氣動影響。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格生成技術(shù)的本質(zhì)是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)，它是計算流體力學(xué)（CFD）的重要組成部分。

網(wǎng)格的質(zhì)量對數(shù)值模擬的結(jié)果有著很大的影響，過密和過疏的網(wǎng)格都是不利于計算的。網(wǎng)格過疏往往會得到完全錯誤的結(jié)果，有時候還會造成計算結(jié)果不收斂；而過密的網(wǎng)格會使計算量大幅度增加，不僅對計算機(jī)硬件的要求較高，而且增加了計算時間。網(wǎng)格從密到疏的過程要緩和，保證物理幾何的光滑過渡，在流場梯度（速度梯度、壓力梯度等）較大的區(qū)域需要足夠細(xì)密的網(wǎng)格，而在流場梯度較小的區(qū)域則使用比較粗的網(wǎng)格，在保證網(wǎng)格整體質(zhì)量的前提下盡量減小網(wǎng)格的數(shù)目和減少計算量及收斂的穩(wěn)定性。

由于人椅系統(tǒng)外形較為復(fù)雜，為了保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量，在一些流場梯度較大區(qū)域及人體與彈射座椅的細(xì)小縫隙處均進(jìn)行了局部加密，以保證網(wǎng)格的正交性和光滑性。由于該文主要研究頭盔面罩組合體氣動特征，所以針對頭部區(qū)域也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密處理。

1.3 流場計算

網(wǎng)格劃分完成后，將網(wǎng)格讀入NUMECA軟件的求解器中進(jìn)行求解。在求解之前需要設(shè)置求解參數(shù)、湍流模型、邊界條件等。需要設(shè)置的求解參數(shù)主要有流體介質(zhì)的物性參數(shù)，計算時的基準(zhǔn)壓力以及計算氣動參數(shù)所需要的參考面積、參考長度等參考值?？刂品匠滩捎美字Z平均N-S方程；湍流模型采用S-A模型；人-椅模型表面采用無滑移的固壁邊界條件。設(shè)置好邊界條件后就開始進(jìn)行迭代計算，迭代計算需要先確定一個殘差收斂的精度，迭代過程中如果殘差達(dá)到所設(shè)定的收斂精度的要求，迭代就自動停止。

1.3.1 主要參數(shù)設(shè)置

該文在進(jìn)行模型數(shù)值計算時，來流采用理想氣體，主要參數(shù)為：

1.3.2 邊界條件和初始條件設(shè)置

（1）壓力遠(yuǎn)場邊界

流場的前、后、上、下、左側(cè)邊界取為壓力遠(yuǎn)場邊界，右側(cè)為對稱面。壓力遠(yuǎn)場條件用于模擬無窮遠(yuǎn)來流的可壓縮流動，并指定自由來流的速度、方向、靜態(tài)條件以及湍流參數(shù)。

（2）壁面邊界

壁面是流場中最常見的邊界。對于粘性流體，一般采用粘附條件。人-椅模型表面采用無滑移的固壁邊界條件。

（3）初始條件

計算開始時的流動條件稱為初始條件。對于非定常問題（既所求解隨時間變化），初始條件一般由所考慮的具體問題給出，對于定常問題（即解不隨時間變化），需要以某種初始條件出發(fā)，通過時間迭代，以收斂到定常解。

2 仿真結(jié)果后處理分析

該文利用NUMECA軟件求解器模塊求解雷諾平均N-S方程，對第一模型和第二模型進(jìn)行了流場數(shù)值仿真模擬，考察了馬赫數(shù)0.9、1.1下的人椅系統(tǒng)在導(dǎo)流板展開及未展開情況下的繞流流場情況，求得了綜合顯示頭盔面罩組合體的氣動參數(shù)值及壓力分布情況。圖1為第一模型、第二模型在1100 km/h速度下的對稱面流場速度矢量圖。

在迭代計算收斂完成結(jié)束后，將頭盔外盔各部分的升力相加可得到外盔受到的升力，將外盔和內(nèi)盔以及頭部各部分所受到的升力相加可得到頸部受到升力， 由于外盔直接與頭靠傘箱接觸，其受到的阻力被頭靠傘箱抵消，不直接作用于頸部，所以頸部受到的阻力為內(nèi)盔與頭部各部分所受到的阻力之和，結(jié)果見表1。

從計算結(jié)果可以看出，由于第一模型、第二模型均是不規(guī)則的鈍頭體，造成氣體經(jīng)過后其后部均有較大的尾流，且隨著馬赫數(shù)的增大，尾流越來越大。最大正壓始終位于迎風(fēng)面，隨著速度的增加，迎風(fēng)面承受壓力越大，頸部升、阻力都呈增大趨勢。通過對比導(dǎo)流板展開和未展開兩種情況下的升力值和阻力值看到，在相同狀態(tài)下，導(dǎo)流板展開后，頸部阻力比導(dǎo)流板未展開時大大減小，而頸部升力則變化不大。

頸部阻力大小是由人頭組合體正面靜壓值與人頭組合體后部靜壓值的差值決定的，通過流場速度矢量圖清楚看到，在導(dǎo)流板展開后，正面吹襲頭盔的氣流部分被導(dǎo)流板阻擋，頭盔正面的靜壓力大大降低，頭盔的前后壓差減小，從而導(dǎo)致頭盔的阻力變小。

頸部升力大小是由氣流吹襲人椅系統(tǒng)時人頭組合體頂部靜壓值與組合體下部靜壓值之差決定的，在導(dǎo)流板展開后，在導(dǎo)流板附近流場部分氣流產(chǎn)生繞流動作，導(dǎo)致人頭組合體頂部的靜壓力有所增大，但并不明顯，這也是導(dǎo)流板展開后頸部升力略有減小的原因。

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