民用飛機座艙溫度場仿真分析與研究

楊 智 龍正偉 汪光文

民用飛機座艙溫度場仿真分析與研究

楊 智1龍正偉2汪光文1

（1.上海飛機設計研究院 上海 201210；2.天津大學環(huán)境科學與工程學院 天津 300072）

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

座艙；溫度場；CFD

0 引言

舒適性是民用飛機的關鍵要求之一，座艙溫度是旅客感受民用飛機舒適性的直接因素。同時民用飛機的飛行高度一般在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)是民用飛機的基本要求之一。為此，民用飛機的設計要求中規(guī)定了座艙溫度場的相關設計要求，這些設計要求的驗證是民用飛機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，座艙溫度設計要求如何驗證是民用飛機研制中的難題，一是地面環(huán)境溫度為-40℃的氣候條件較難尋找，且影響民用飛機研制進度；二是若采用試驗驗證，花費巨大且耗時耗力；三是座艙人員對座艙溫度場影響較大，而民用飛機試飛時座艙人員很難滿載。因此若可通過計算驗證極端氣候條件下座艙人員滿載時的座艙溫度設計要求，將對民用飛機的研制有積極地推動和指導作用。

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

1 民用飛機座艙溫度場設計要求

SAE ARP 85[1]中定義了民用飛機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)定了飛機座艙溫度設計要求，如表2所示。

表2 ASHRAE 161-2007座艙溫度要求

2 座艙溫度場計算模型

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)某型飛機座艙真實三維幾何模型，建立相應的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各設置一送風口，即總共有四個送風口?；仫L口設置于地板附近兩側側壁面上，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構網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格數(shù)量為1000萬。為保證計算結果的準確性及計算資源的合理利用，網(wǎng)格劃分時分別對座艙內(nèi)送風口、回風口及壁面附近進行了加密處理，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)氣流分布進行模擬預測。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則，其它變量的壓力差分格式都采用二階向前差分準則。當能量的殘差低于10-7，其他變量的殘差低于10-4時，認為所計算的流場已經(jīng)達到收斂。

2.3 模型驗證

2.3.1 常溫天座艙溫度場測試

按照ASHRAE161-2007中的要求，分別在某型飛機座艙前部、中部以及后部區(qū)域布置三維風速儀，測量了座艙無乘客時每個區(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)飾壁面等模型計算中采用的邊界參數(shù)。試中采用的超聲波風速儀如圖3所示。

圖3 超聲波風速儀示意圖

2.3.2 常溫天座艙溫度場計算

采用模型計算了常溫天時座艙無乘客時流場與溫度場，計算時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算結果示意如圖4～6所示。

圖4 座艙內(nèi)流場分布

圖5 座艙內(nèi)走廊中央沿機身方向流場分布

圖6 座艙內(nèi)走廊中央沿機身方向溫度分布

2.3.3 座艙溫度場測試與計算結果對比

常溫天座艙溫度場測試與試驗測量結果對比如圖7所示。

圖7 座艙溫度場測試與計算結果對比

根據(jù)模擬結果與實測結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，兩種計算工況下的數(shù)值計算結果與實驗測量數(shù)據(jù)都能有較好的吻合，證明了現(xiàn)有數(shù)值計算方法對座艙溫度場進行預測的正確性，即計算模型可以用來驗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算

采用上述計算模型對某型飛機冷天座艙人員滿載時座艙流場與溫度場進行了計算，以驗證極端氣候條件冷天（地面環(huán)境溫度為-40℃）工況下、座艙人員滿載時的座艙溫度場要求。計算時采用的邊界條件設置如表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算結果示意如圖8～13所示。

圖8 座艙內(nèi)流場分布

圖9 座艙內(nèi)走廊中央沿機身方向流場分布

圖10 座艙內(nèi)走廊中央沿機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)空間溫度變化計算結果如表5所示。

表5 空間溫度變化計算結果

由表5可知，某型飛機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 結論

基于某型民用飛機座艙真實的幾何參數(shù)，建立了CFD計算模型。采用計算模型計算了常溫天地面環(huán)境下的座艙溫度，并與試驗對比驗證了計算模型后；采用驗證后的計算模型計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證問題，并減少試驗測試，節(jié)約了飛機研制成本。

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

[2] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ANSI/ASHRAE Standard 161-2007 Air Quality within Commercial Aircraft[S].

[3] Pang L, Qin Y, Liu D, et al. Thermal comfort assessment in civil aircraft cabins[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2014,24(2):180-186.

[4] Park S, Hellwig R, Grun G, et al. Local and overall thermal comfort in an aircraft cabin and their interrelations[J]. Building and Environment, 2011,46: 1056-1064.

[5] Cui W, Ouyang Q, Zhu Y. Field study of thermal environment spatial distribution and passenger local thermal comfort in aircraft cabin[J]. Building and Environment, 2014,80:213-220.

[6] 林國華,袁修干,楊燕生.人機環(huán)境系統(tǒng)中的CFD研究[J].航空學報,1999,20(增):21-23.

[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].應用基礎與工程科學學報,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,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

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2012CB720100）

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

2019-05-25