人機與環(huán)境工程中若干問題的數(shù)值模擬研究

侯風(fēng)霞

【摘 要】數(shù)值模擬是相對于物理模擬（實驗?zāi)M）而言的，數(shù)值模擬是指用數(shù)值方法在計算機上對描述物理過程的控制方程進行求解，從而再現(xiàn)或定量分析該過程。開展數(shù)值模擬研究的物質(zhì)基礎(chǔ)是計算機，近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值模擬也得到了相應(yīng)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】人機；環(huán)境工程；數(shù)值模擬

1人機與環(huán)境工程簡介

人機與環(huán)境工程是航空宇航科學(xué)與技術(shù)的重要組成部分，是航空航天領(lǐng)域人機工程、飛行器環(huán)境控制技術(shù)和航空宇航生命保障技術(shù)的綜合性研究方向。在現(xiàn)代航空宇航活動中，駕駛員和乘員有著不可替代的作用，如何保證人員的生命安全、生活環(huán)境的舒適和工作的高效是航空宇航科學(xué)與技術(shù)研究的關(guān)鍵問題之一。圍繞解決該問題而產(chǎn)生了人機與環(huán)境工程這一新興交叉學(xué)科，其研究內(nèi)容主要包括人機工程，飛行器環(huán)境控制技術(shù)，航空航天環(huán)境模擬技術(shù)，航空航天生命保障技術(shù)，空調(diào)制冷技術(shù)，以及航海器和交通運輸車輛中的人機工程與環(huán)境控制技術(shù)等。

2人機與環(huán)境工程中的數(shù)值模擬方法及其應(yīng)用

人機與環(huán)境工程中的數(shù)值模擬方法根據(jù)其所模擬的對象，在具體應(yīng)用中大致可分為兩大類：集中參數(shù)法和分布參數(shù)法。集中參數(shù)法是把研究對象看成在空間具有均勻參數(shù)的系統(tǒng)，研究目的是根據(jù)所建立的模型和對象的初始狀態(tài)或輸入?yún)?shù)，數(shù)值模擬出其終狀態(tài)或輸出參數(shù)。使用該方法可以定性的給出系統(tǒng)的總體性能，結(jié)合實驗給出的經(jīng)驗公式也可以對系統(tǒng)進行定量分析。這種方法其控制方程簡單、所需計算時間較短，適用于大系統(tǒng)的數(shù)值模擬或為控制系統(tǒng)處理可觀、可測參數(shù)，但它不能給出系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的分布細節(jié)。分布參數(shù)法主要用來分析研究對象內(nèi)部各參數(shù)的分布情況，同時也能實現(xiàn)系統(tǒng)的定量分析，顯然其研究內(nèi)容涵蓋了集中參數(shù)法的研究內(nèi)容，但該方法的控制方程和數(shù)值模擬方法復(fù)雜、計算時間較長，一般不適用于大系統(tǒng)的分析，通常也不為系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)采用。

人機與環(huán)境工程中的數(shù)值模擬方法研究由來已久，在二十世紀七十年代國外已經(jīng)采用集中參數(shù)法，對以空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)為基礎(chǔ)的飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，在實驗驗證后形成了早期的軟件“EASY”系列，此軟件能夠?qū)Νh(huán)控系統(tǒng)的動靜、態(tài)性能和系統(tǒng)的控制品質(zhì)進行定量分析，但使用該軟件時，必須提供系統(tǒng)中各部件的試驗性能曲線。隨著機載設(shè)備冷卻要求的提高，以蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)為基礎(chǔ)的環(huán)控系統(tǒng)在飛機上得到了應(yīng)用，國外也采用數(shù)值模擬方法對其進行了研究。在采用集中參數(shù)法進行系統(tǒng)數(shù)值模擬中，首先需要對系統(tǒng)中的各部件進行數(shù)值模擬，在試驗的基礎(chǔ)上進行修正，然后根據(jù)系統(tǒng)中各部件之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)數(shù)值模擬方法。國內(nèi)自二十世紀九十年代也開始了這方面的研究，采用集中參數(shù)法分別對空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中的換熱器和渦輪冷卻器進行了數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上進行了飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究。由于缺乏實驗和資料數(shù)據(jù)的驗證，國內(nèi)的這方面研究只是方法的探索，尚未應(yīng)用到工程設(shè)計中。

人機與環(huán)境工程中的分布參數(shù)數(shù)值模擬方法，就是采用計算傳熱學(xué)和計算流體力學(xué)解決人機與環(huán)境工程中的問題。在國外，計算傳熱學(xué)和計算流體力學(xué)早就被應(yīng)用來解決人機與環(huán)境工程中的工程問題了。采用數(shù)值模擬的方法對飛機座艙內(nèi)的氣流組織進行計算，把計算結(jié)果和實驗結(jié)果對比后，認為采用數(shù)值模擬的方法可以代替實驗?zāi)M。波音公司采用FLUENT軟件對飛機座艙氣流組織進行數(shù)值模擬的結(jié)果報告，是國外目前有關(guān)飛機座艙氣流組織的唯一可檢索到的文獻，但沒有給出具體數(shù)值模擬方法，以及如何考慮自然對流對氣流組織的影響，只給出了二維數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比。國內(nèi)也開展了分布參數(shù)數(shù)值模擬方法的研究，采用導(dǎo)熱一對流一輻射藕合的模擬方法，對飛機蒙皮座艙各壁面的溫度進行了計算，給出了飛機座艙的動態(tài)熱載荷。文獻中座艙內(nèi)外的換熱系數(shù)是由經(jīng)驗公式給出，并沒有對座艙內(nèi)的流場、溫度場進行計算。

3湍流流動與傳熱的數(shù)值模擬方法

人機與環(huán)境工程中所研究的大多數(shù)問題與流動與傳熱有關(guān)，且都是復(fù)雜的湍流流動與換熱問題。對流動與傳熱問題進行數(shù)值模擬時，首先需要對所計算區(qū)域在空間上進行網(wǎng)格劃分，生成計算用網(wǎng)格的方法稱為網(wǎng)格生成技術(shù)。網(wǎng)格生成技術(shù)可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)兩大類。自1974年Thompson等三人提出生成貼體坐標(biāo)的方法以來，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成技術(shù)用于解決工程中復(fù)雜區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分得到了充分的發(fā)展。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成技術(shù)是二十世紀九十年代發(fā)展起來的處理復(fù)雜區(qū)域網(wǎng)格劃分的方法。計算網(wǎng)格的質(zhì)量對流動與傳熱問題的數(shù)值模擬有很大的影響，有時甚至起到?jīng)Q定性的作用。網(wǎng)格生成技術(shù)在計算流體力學(xué)和計算傳熱學(xué)中的重要性日益被人們所認識，如今網(wǎng)格生成技術(shù)己發(fā)展成計算流體力學(xué)的一個重要分支。

采用數(shù)值模擬的方法研究湍流流動與傳熱，其核心內(nèi)容是如何離散描述湍流流動與傳熱過程的微分方程（控制方程），及如何對離散方程進行求解。離散控制方程的常見方法有：有限差分法、有限容積法、有限元法、有限分析法、邊界元法等，目前被廣泛使用的主要是有限差分法、有限容積法。根據(jù)離散方程因變量的不同，控制方程的數(shù)值算法可分為壓力基算法和密度基算法。壓力基算法把壓力作為離散方程中的因變量，該算法一般是聯(lián)合連續(xù)方程和動量方程得到壓力修正方程或壓力方程，求解得到壓力和溫度后，由狀態(tài)方程導(dǎo)出密度。此類算法的優(yōu)點是能夠兼顧處理可壓縮和不可壓縮流，典型的壓力基算法有MAC，SIMPLE系列、PISO等。密度基算法采用密度作為離散方程因變量，得到溫度和密度后，由狀態(tài)方程得到壓力。密度基算法被廣泛應(yīng)用于可壓縮流和外流，TVD，ENO，MUSCL等高精度格式算法屬于密度基算法。在處理低速流動和不可壓流時，由于密度壓力藕合弱，往往采用添加人工粘性項等方法處理，計算效率低。

在壓力基算法中，動量方程中的壓力相采用中心差分時，預(yù)測的壓力場會出現(xiàn)棋盤形失真。解決此問題的方法目前有兩種，一種是由Patankar和Spalding提出的交錯網(wǎng)格法，另一種是在同位網(wǎng)格下，采用動量插值的方法計算界面流速。交錯網(wǎng)格法采用多套網(wǎng)格，需要進行有關(guān)幾何及計算參數(shù)的反復(fù)插值，耗費機時多、程序編制復(fù)雜。而同位網(wǎng)格法相對節(jié)省機時、程序簡單，是當(dāng)前主要采用的方法。對控制方程離散后的代數(shù)方程組的求解方法是數(shù)值模擬中的另一個重要問題。求解代數(shù)方程組的方法一般分為直接解法和迭代解法兩大類。直接解法無需迭代直接獲得代數(shù)方程組的精確解，但對于流動與換熱這樣的非線性問題，離散方程的系數(shù)矩陣巨大，且系數(shù)是所求參數(shù)的函數(shù)，使用直接解法需要占用較大的計算機內(nèi)存和花費較多的CPU時間，應(yīng)用很少。目前，求解離散方程的主要方法是迭代解法，迭代解法收斂速度的快慢是衡量其算法好壞的標(biāo)準(zhǔn)，為了加速收斂常用的計算方法有ADI交替方向掃描、SIP、塊迭代、多重網(wǎng)格等。

結(jié)束語

總而言之，數(shù)值模擬相對于物理模擬具有通用性強、成本低、周期短等優(yōu)點，用數(shù)值模擬方法可部分或完全替代實驗?zāi)M；另外，對有些地面實驗無法模擬的物理過程，只能采用數(shù)值模擬和地面實驗相結(jié)合的方法來研究。

參考文獻：

[1]鄭小漪.救生艙內(nèi)部氣流組織的數(shù)值模擬與試驗研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[2]江娜.民航客機座艙內(nèi)污染物傳播規(guī)律的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2009.

[3]易陸君.航空發(fā)動機軸承健康管理仿真試驗方法研究[D].沈陽航空航天大學(xué)，2013.