戰(zhàn)斗機駕駛艙環(huán)境熱舒適性仿真與優(yōu)化

劉鐘琦，胡旭陽，羅海寧，王曉明，董素君，*

1.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191

2.航空工業(yè)成都飛機設計研究所，成都 610091

戰(zhàn)斗機駕駛艙環(huán)境熱舒適性是保障飛行員人機工效，確保戰(zhàn)斗機發(fā)揮最佳作戰(zhàn)性能的重要因素［1］。戰(zhàn)斗機駕駛艙熱載荷主要來源于艙外氣動熱、艙內(nèi)儀表設備、人體散熱，以及透過大面積玻璃艙蓋的太陽輻射熱。因艙內(nèi)空間狹小，并受儀表設備安裝操作空間及彈射救生通道的限制，戰(zhàn)斗機駕駛艙一般采用前儀表盤、兩側(cè)面板、腳部、艙蓋四周等多路組合送風方式，以保證足夠的送風流量，同時滿足大熱載荷冷卻及艙蓋玻璃除霧需求。但是，由于多路送風相互影響很大，導致艙內(nèi)氣流組織難以協(xié)調(diào)，人體周圍流場和溫度場極度不均勻，夏季熱、冬季冷的極度不舒適性問題仍比較嚴重［2］。

簡單來說，人體熱舒適性影響因素主要包括環(huán)境因素和人體因素。其中，環(huán)境因素主要包括周圍空氣的溫度、濕度、流速，以及周圍環(huán)境對人體的平均輻射溫度；人體因素主要包括人體的代謝產(chǎn)熱量和衣著熱阻等。人在環(huán)境中的冷熱感覺是這六大因素對人體共同作用的結(jié)果［3］?；谏鲜黾僭O，利用集總參數(shù)方法建立建筑房間內(nèi)人體舒適性方程，并結(jié)合人的總體熱舒適性主觀評價實驗數(shù)據(jù)采用概率統(tǒng)計方法獲得的預期平均投票數(shù)（PMV）、預測不滿意百分數(shù)（PPD）熱舒適性標準得到廣泛認可和使用［4］。

目前，有關(guān)飛機座艙內(nèi)環(huán)境熱舒適性問題研究，主要采用計算流體力學（CFD）數(shù)值模擬方法獲得一定氣流組織設計方案下艙內(nèi)空氣流場和溫度場，然后以PMV-PPD 熱舒適性、氣流組織評價指標為優(yōu)化目標，對送風口位置、送風流量、送風角度、送風溫度等氣流組織設計變量開展一定優(yōu)化設計［5-6］。Kuznetz［7］首先研究了飛行員周圍氣流速度對人體熱舒適的影響，建立了戰(zhàn)斗機駕駛艙送風速度標準。林國華等［8］基于戰(zhàn)斗機包括駕駛員、座椅、儀表板在內(nèi)的復雜三維座艙的速度場和溫度場數(shù)值模擬結(jié)果，詳細論述了其氣流組織特點和主要影響因素。沈海峰和袁修干［9］研究了座艙氣動熱及供風邊界條件模型，并在此基礎上建立了殲擊機座艙流場和溫度場數(shù)值仿真平臺。

考慮到多路送風流量及氣流組織相互影響關(guān)系復雜，很難獲得響應面簡化模型，遺傳優(yōu)化算法表現(xiàn)出較好的適應性。Xue等［10］、Pang等［11］分別采用遺傳算法對旅客機座艙氣流組織開展一定優(yōu)化設計，有效地提高客艙內(nèi)乘客熱舒適性。Liu等［12］綜合利 用CFD 開源代 碼Open-FOAM和遺傳優(yōu)化算法，開發(fā)了旅客機座艙氣流組織逆向優(yōu)化設計平臺，并得到一定推廣應用。

但是，PMV-PPD 實際上是建筑房間內(nèi)人體整體熱舒適性評價指標。它雖然可推廣應用到旅客機相對均勻穩(wěn)定的座艙環(huán)境［13-15］，但針對擁有極度不均勻流場溫度場以及強烈太陽輻射熱的戰(zhàn)斗機駕駛艙環(huán)境卻難以適用。為此，戰(zhàn)斗機駕駛艙氣流組織熱舒適性優(yōu)化問題仍未得到有效解決。

2009年，Zhang等［16-18］針對汽車乘員艙非穩(wěn)態(tài)、不均勻熱環(huán)境的特點，基于人體皮膚溫度、內(nèi)部核心溫度等生理參數(shù)，結(jié)合大量穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)試驗過程人體主觀評價結(jié)果，利用統(tǒng)計學方法提出了新型Berkely 熱舒適模型。該模型主要由局部熱感受、局部熱舒適、整體熱感受、整體熱舒適4 個模型組成，充分體現(xiàn)了人體不同部位熱舒適性受周圍局部環(huán)境影響，以及全身整體熱舒適性與局部熱舒適性相互影響關(guān)系，能夠較好地適應戰(zhàn)斗機駕駛艙極度不均勻熱環(huán)境［19-20］。

因為人體具有一定的生理熱調(diào)節(jié)功能，使其與環(huán)境之間熱量傳遞存在復雜的內(nèi)外耦合關(guān)系［21］，為此，Berkeley 熱舒適模型所需人體生理參數(shù)可以通過人體生理熱調(diào)節(jié)模型與周圍環(huán)境CFD 聯(lián)合仿真方法獲得。其中，人體生理熱調(diào)節(jié)模型以Fiala等［22］提出的最為著名，它是將人體按不同部位劃分為15 個區(qū)域，每個區(qū)域不僅考慮皮膚和肌肉間被動傳熱過程，還考慮了人體血液流動及血管舒縮、肌肉顫抖、出汗等主動調(diào)控功能，能夠?qū)崿F(xiàn)非均勻、非穩(wěn)態(tài)環(huán)境條件下人體溫度調(diào)節(jié)過程數(shù)值模擬功能。美國ThermoAnalytics 公司出產(chǎn)的TAITherm 專業(yè)熱設計軟件人體熱舒適性計算模塊包含了Fiala 人體生理熱調(diào)節(jié)模型及Berkeley 熱舒適性計算模型，支持用戶通過在熱環(huán)境中設置虛擬假人方式，計算并輸出該環(huán)境下人體主要生理參數(shù)及Berkeley 熱舒適性值。

本文以某戰(zhàn)斗駕駛艙環(huán)境熱舒適性為研究對象，利用STAR-CCM+、TAITherm 2 個軟件聯(lián)合仿真功能，以人體熱舒適性為指標，采用遺傳算法（GA）對多個送風口流量分配進行一定優(yōu)化設計，在總流量一定的情況下提高駕駛員整體熱舒適性。其中，STAR-CCM+軟件用于駕駛艙內(nèi)氣流組織數(shù)值仿真，TAITherm 軟件用于Fiala 人體生理模型數(shù)值仿真、Berkeley 熱舒適評價指標計算。

1 艙內(nèi)熱環(huán)境數(shù)值仿真分析

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

某雙座戰(zhàn)斗機前、后2 個駕駛艙由中間儀表設備隔開，相互氣流組織影響較小，主要以前艙為例進行說明。

駕駛艙三維幾何模型和送風口布置情況如圖1 所示，主要包括固定在儀表盤上的左右對稱的胸前噴頭、人體臂部兩側(cè)噴頭、頭部兩側(cè)多孔噴管、小腿兩側(cè)多孔噴管、艙蓋玻璃四周由1 段環(huán)形、2 段直管道組成的多孔除霧噴管。排風口位于后艙，前艙氣流最終由座位后上方流向后艙。

圖1 駕駛艙三維幾何模型與送風口示意圖Fig.1 Schematic diagram of cockpit geometry model and air supply outlet

采用非結(jié)構(gòu)化六邊形網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示。在送風口速度變化較大區(qū)域以及人體表面對流換熱計算精度要求較高區(qū)域?qū)嵤┚W(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺寸分別減小到基本網(wǎng)格尺的1.5%、3.0%。最終，經(jīng)過網(wǎng)格獨立性測試對比，確定基本網(wǎng)格尺寸為0.03 m，網(wǎng)格數(shù)量約160萬，人體表面y+<30，滿足k-ε 標準湍流模型計算需求。

圖2 駕駛艙非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型Fig.2 Cockpit unstructured mesh model

1.2 設計工況及參數(shù)設置

選取飛行高度H=10 km、馬赫數(shù)Ma=0.9的巡航飛行工況為設計工況。按艙外氣流附面層恢復溫度［23］，將艙蓋設置為16.5 ℃等溫邊界。按設備發(fā)熱量及人體坐姿工作基礎代謝熱，將艙內(nèi)設備、人體表面分別設置為90、58 W/m2等熱流邊界；其他固體壁面設置為絕熱邊界。

所有供風口為速度邊界，排風口為自由出口。各送風口初始設計流量如表1 所示，送風溫度為16 ℃。其中艙蓋玻璃除霧噴管中，根據(jù)開孔數(shù)量確定環(huán)形噴管流量為直筒段噴管流量的2倍。

表1 各送風口初始設計流量Table 1 Initial design flow of each air supply outlet

開啟太陽射線跟蹤算法計算太陽輻射，選取時間為夏季6 月21 日13：00，空間上飛機位于北京上空。艙蓋透射率為0.5、吸收率為0.3；艙內(nèi)設備及結(jié)構(gòu)表面吸收率為0.3；飛行員服裝的吸收率為0.3。

忽略自然對流影響，采用基于壓力求解器和Realizable k-ε 湍流模型，能量方程殘差收斂指標設為10-6，最大迭代次數(shù)10 000步。

1.3 仿真結(jié)果分析

1.3.1 流場

各送風口流線如圖3 所示，從中可以看出：

圖3 駕駛艙內(nèi)各送風口氣流軌跡圖Fig.3 Airflow trajectory diagram in cockpit

1）胸前噴頭送風氣流首先接觸人體腹部，流經(jīng)人體胸部向上運行。然后，一小部分從人體頭部兩邊流向后艙，大部分受頭部與上臂兩側(cè)送風影響轉(zhuǎn)向前方，并在人體前方中軸切面形成較大的漩渦，最后從座椅下部流向后艙。

2）頭部多孔噴管與臂部噴頭送風氣流大部分受除霧氣流攜帶，圍繞人體周圍在橫截面形成較大漩渦，具有較好的冷卻效果，最后從頭部兩邊流向后艙。

3）小腿兩側(cè)多孔噴管送風氣流大部分向上運行，對人體腳部、小腿、設備具有較好冷卻效果。該送風速度較大，氣流繼續(xù)上升后向人體前胸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，也會對人體起到一定冷卻作用。同時，小腿兩側(cè)送風氣流上升過程與前胸送風回流過程正好相反，可以起到抑制前胸送風的回流，使前胸送風氣流更加緊貼前胸，加強對人體冷卻效果。

4）多孔除噴管霧送風氣流主要從兩側(cè)向上貼附艙蓋玻璃向中間聚攏，然后受其他送風氣流影響從頭部兩邊流向后艙，主要起到冷卻座艙玻璃和除霧作用，對人體頭部以外部位冷卻效果較小。

1.3.2 溫度場

駕駛艙中軸切面及人體表面溫度分布如圖4所示?？梢钥闯鎏栞椛鋸姸燃皻饬骼鋮s效果直接影響人體表面溫度，具體分析如下：

圖4 駕駛艙內(nèi)溫度與中軸切面上速度分布Fig.4 Temperature distribution in cockpit and speed distribution on central axle section

1）人體胸部與儀表盤中間空氣存在渦流，導致該區(qū)域氣流溫度較高（約為20 ℃），頭部區(qū)域相較于胸部空氣溫度更低、冷卻效果更好。

2）太陽輻照強烈區(qū)域主要集中在人體頭部、胸部和大腿內(nèi)側(cè)。人體頭部氣流冷卻效果較好，溫度為30 ℃左右；人體胸部、大腿內(nèi)側(cè)區(qū)域冷卻效果較差，溫度達到36 ℃左右。

3）人體表面太陽輻照不到的區(qū)域，如小腿、腳部和身體側(cè)面，溫度為26 ℃左右。

2 人體熱舒適性聯(lián)合仿真分析方法

2.1 Fiala 人體熱生理模型

Fiala 人體熱生理模型［22］將人體組織分成2 個具有相互傳熱環(huán)節(jié)的主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)。在被動系統(tǒng)中，人體利用對流、輻射、導熱等方式與外界環(huán)境進行熱量交換，人體內(nèi)部通過基礎代謝和血液流動進行傳熱。在主動系統(tǒng)中，人體由皮膚溫度感受器、下丘腦溫度控制中樞控制血管收縮和擴張、肌肉顫抖、皮膚出汗，從而保持人體溫度恒定。

如圖5［22］所示，F(xiàn)iala 人體熱 生理模 型將身體劃分為15 個區(qū)域，即頭部、面部、頸部、肩部、手臂、手、胸部、腹部、腿部、腳部。每一部分又根據(jù)實際情況分別由大腦、肺、內(nèi)臟、脂肪、骨骼、肌肉、皮膚7 種組織類型構(gòu)成，這些組織通過球面或環(huán)狀的分布方式來組成人體模型，例如圖5 中腿部，根據(jù)編號由內(nèi)到外分別為骨骼（核心）、肌肉、脂肪、內(nèi)層皮膚與外層皮膚，其中肌肉與脂肪分別占2 層節(jié)點，其他部位各占1 層節(jié)點。除頸部、肩部外，每個部位傳熱模型又劃分為前端、內(nèi)部、后端3 部分，其中，前端、后端2 部分分別模擬人體與外部環(huán)境不對稱換熱，內(nèi)部與周圍環(huán)境輻射換熱減少，用于模擬“隱藏”于其他身體部位。

圖5 Fiala 人體熱生理模型中人體組織結(jié)構(gòu)示意圖［22］Fig.5 Schematic diagram of human body structure of Fiala thermophysiological human model［22］

Fiala 人體熱生理模型的核心為Pennes 生物傳熱方程［24］，即

式中：K 為人體組織導熱系數(shù)；T 為人體組織溫度；r 為人體組織半徑；ω 為形狀因子，圓柱、球形部位形狀因子分別為1、2；qm為新陳代謝熱；ρbl為血液密度；wbl為血液灌注率；cbl為血液比熱；Tbl，a為進入人體組織的動脈血液溫度；Tbl，v為流出人體組織的靜脈血液溫度；ρ 為人體組織密度；c 為人體組織比熱容。

同時，F(xiàn)iala 人體熱生理模型會考慮人體著裝影響，通過引入服裝熱阻確定人體各部位與環(huán)境間傳熱系數(shù)Ucl，即

式中：Icl為服裝熱阻，單位為col，1 col=1.6（m2·K）/W；i為服裝層數(shù)；fcl、hc、hr分別為對應部位的面積因子、對流換熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)。

考慮到飛行員飛行服和頭盔的傳熱熱阻非常復雜，目前尚無相關(guān)研究成果，本文暫且按夏季工作服裝標準設定服裝熱阻，具體如表2所示。

表2 人體服裝設置Table 2 Human clothing settings

這樣，F(xiàn)iala 人體熱生理模型能夠根據(jù)流場CFD 仿真所得人體附近流體溫度、對流換熱系數(shù)、環(huán)境輻射溫度，結(jié)合服裝熱阻，實現(xiàn)非均勻非穩(wěn)態(tài)環(huán)境條件下人體溫度調(diào)節(jié)過程數(shù)值模擬，進而獲得一定環(huán)境條件下人體皮膚溫度、核心溫度、溫度變化率等生理參數(shù)，為Berkeley 熱舒適性評估提供必要數(shù)據(jù)。

2.2 Berkeley 熱舒適評價模型

Berkeley 熱舒適評價模型是一種基于人體生理學參數(shù)的熱舒適評價模型。它主要利用汽車乘員艙內(nèi)非均勻、瞬態(tài)環(huán)境下的大量試驗數(shù)據(jù)，以人體皮膚溫度和內(nèi)部核心溫度等生理參數(shù)及其隨時間的一階導數(shù)為變量，通過統(tǒng)計學方法獲得人體局部熱感受、熱舒適的回歸模型。熱感受、熱舒適的計算結(jié)果分別對應9 階熱感受和6 階熱舒適量化表。其中，9 階熱感受量化數(shù)值包括-4、-3、-2、-1、0、+1、+2、+3、+4，分別對應熱感覺“很 冷”“冷”“涼 爽”“略 涼”“中 性”“略暖”“溫暖”“熱”“很熱”；6 階熱舒適量化數(shù)值包括-4、-2、0-、0+、+2、+4，分別對應熱感覺“很不舒適”“不舒適”“稍不舒適”“稍舒適”“舒適”“很舒適”。其中，Berkeley 局部熱感受模型包括穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)2 部分，具體計算公式為

式中：Tsk為局部皮膚溫度為整體皮膚平均溫度；Tsk，set為局部熱感受處于中性時的局部皮膚溫度為整體熱感受處于中性時的皮膚平均溫度；Tc為核心溫度；C1、K1、C2、C3為系數(shù)，不同部位對應值可查詢文獻［16］。

對于整體熱感受的計算主要存在“無相反感受”“存在相反感受”2 種情況?！盁o相反感受”表示沒有一個身體部位的熱感受與其他身體部位明顯相反（例如，一個身體部位的熱感受為“冷”，而其他身體部位的熱感受為“熱”）；“存在相反感受”表示某些局部身體部位的熱感受與其他部位明顯相反?；谝陨? 種情況，又可根據(jù)不同的各部位局部熱感受排序結(jié)果繼續(xù)細分為多種情況，各種情況對應不同的計算公式，此處不做贅述。

考慮到人體局部熱舒適性還會受到整體熱感受的影響。比如，當人體整體感受偏熱時，略涼爽的局部感受最為舒適；當人體整體感受偏冷時，略溫暖的局部感受最為舒適。為此，Berkeley對局部熱舒適給出了一修正參數(shù)，計算公式為

式中：S+為0～+4 范圍之間的整體熱感受；S-為-4～0 范圍之間的整體熱感受；在計算中，當整體熱感受值大于0時，則將整體感受記為S+，同時令S-值為0，反之亦然；n 為回歸系數(shù)；C6、C71、C72、C31、C32、C8為修正系數(shù)，不同部位對應不同的值，不同部位對應值可查詢文獻［17］。

Berkeley 整體熱舒適性是根據(jù)局部熱舒適性推導的不滿意驅(qū)動模型。當受試人體對其所在熱環(huán)境保持有一定的控制能力或人體附近熱環(huán)境為非穩(wěn)態(tài)時，整體熱舒適性等于2 個最低局部舒適性與最高局部舒適性三者的平均值。其他情況下，整體熱舒適性等于2 個最低局部舒適性的平均值。此外，當2 個局部舒適性最低的部位為手、腳時，那么需要使用局部舒適性第三低的部位來代替第二低的部位。

Berkeley 人體熱舒適模型評價過程如圖6 所示。首先，根據(jù)人體皮膚溫度、核心溫度、溫度變化率等生理參數(shù)計算局部和整體熱感受值，然后計算局部熱舒適值，最后給出整體熱舒適值。

圖6 Berkeley 人體熱舒適模型評價過程Fig.6 Evaluation process of Berkeley human thermal comfort model

2.3 人體熱舒適聯(lián)合仿真分析方法

針對人體表面流固耦合邊界，一般采用解耦簡化處理方法，即首先根據(jù)人體新陳代謝率設置人體表面恒定熱流邊界，利用CFD 軟件對艙內(nèi)氣流組織進行數(shù)值計算，然后將計算所得人體表面溫度、對流換熱系數(shù)輸入TAITherm 軟件計算人體熱舒適性。

本文利用CoTherm 多物理場協(xié)同仿真軟件平臺［25］，將STAR-CCM+艙內(nèi)氣流組織CFD 仿真軟件與TAITherm 人體熱舒適性分析軟件進行聯(lián)合仿真。其中，STAR-CCM+數(shù)值計算氣流組織獲得人體表面流體溫度、對流換熱系數(shù)提供給TAITherm，在TAITherm 中設置人體生理模型參數(shù)（如人體活動強度）、環(huán)境參數(shù)（如環(huán)境輻射溫度），完成熱傳導與熱輻射計算，并將人體表面溫度傳遞回STAR-CCM+作為邊界條件，進行下一步計算，如此往復，實現(xiàn)耦合計算。

圖7 給出了同一工況下上述2 種方法所得人體各部位皮膚溫度與舒適性的計算偏差。其中，最大溫差達1.68 ℃，最大舒適性偏差達0.95，證明了艙內(nèi)氣流組織與人體熱舒適性需要進行聯(lián)合仿真分析的必要性。

圖7 聯(lián)合仿真與傳統(tǒng)解耦計算結(jié)果偏差Fig.7 Deviation between joint simulation and traditional decoupling calculation results

3 送風流量多目標優(yōu)化

3.1 優(yōu)化變量

戰(zhàn)斗機駕駛艙總送風流量由發(fā)動機引氣量決定，送風流量越小，能量代償越小。下面主要針對駕駛艙總送風流量一定時，對各個送風口流量分配進行一定優(yōu)化。

按照表1所示，該座艙總送風流量為91.74 g/s。為避免產(chǎn)生過大噪聲，各送風口流量按照設計流量的85%～115%設定其取值范圍（見表3），最后多孔除霧噴管送風流量根據(jù)總流量確定。

表3 各送風口流量取值范圍Table 3 Flow range of each air outlet

3.2 優(yōu)化目標

駕駛艙氣流組織優(yōu)化以提高人的整體熱舒適性為主要目標。但是，考慮到溫度不均勻系數(shù)是氣流組織常用評價指標，同時Berkeley 整體熱舒適性也是基于相對均勻熱環(huán)境下實驗結(jié)果，因此為保證熱舒適模型的適應性，特在Berkeley 整體熱舒適性的基礎上，進一步引入溫度不均勻系數(shù)，從重要性角度出發(fā)以兩者按權(quán)重比8∶2 加權(quán)之和作為總的優(yōu)化目標，具體處理方法如下。

如圖8 所示，在人體主要部位周圍布置16 個監(jiān)測點，各測點溫度均方根誤差與平均溫度比值即為溫度不均勻系數(shù)。溫度不均勻系數(shù)的值越小，表明溫度分布均勻性越好，計算公式為

圖8 溫度不均勻性監(jiān)測點位置示意圖Fig.8 Layout of temperature non-uniformity monitoring points

式中：μ 為溫度不均勻系數(shù)；Tj為各監(jiān)測點溫度值，其下標j 表示監(jiān)測點編號為各監(jiān)測點溫度的平均值；N 為溫度監(jiān)測點數(shù)量。

將Berkeley 整體熱舒適性與溫度不均勻系數(shù)按照8∶2 權(quán)重相加確定最終優(yōu)化目標，即

式中：Cnor、μnor分別為Berkeley 整體熱舒適性、溫度不均勻系數(shù)歸一化處理后的結(jié)果，即

式中：下標max、min 分別表示變化區(qū)間最大、最小值。由于Berkeley 整體熱舒適性已規(guī)定+4 為很舒適、-4 為很不舒適，所以設置Cmax=+4、Cmin=-4。對于溫度不均勻系數(shù)，μ=0 時證明均勻性最好，且根據(jù)該駕駛艙研究經(jīng)驗，溫度不均勻系數(shù)最大不超過0.05，設置μmax=0.05、μmin=0。

這樣，經(jīng)過歸一化處理后，整體熱舒適性與溫度均勻性2 個性能指標處于同一個數(shù)量級，且根據(jù)式（10）、式（11）可知，在同一代種群中，整體熱舒適性C 越高、溫度均勻性系數(shù)μ 越小，其對應優(yōu)化目標f 越大，證明該流量分配方案越好。

3.3 優(yōu)化方法

3.3.1 遺傳優(yōu)化方法

采用遺傳算法對各送風口流量分配進行優(yōu)化，具體流程如圖9 所示。首先，通過遺傳算法實數(shù)編碼方法形成個體的染色體（即各送風口流量），然后通過拉丁超立方抽樣方法隨機生成并選取18 種流量分配工況作為初始種群。為了避免算法在求解過程中個體趨向于同一化，個體之間進一步通過交叉和變異兩類遺傳操作生成下一代4 個新工況，并通過輪盤賭等優(yōu)勝劣汰的機制進行個體篩選，淘汰適應度低，即優(yōu)化目標值差的個體。如此反復迭代，最終獲得滿足要求的最優(yōu)個體，算法終止。

圖9 遺傳優(yōu)化算法流程圖Fig.9 Genetic optimization algorithm flowchart

優(yōu)化過程具體收斂條件為：最少生成10 代種群共58 個工況，連續(xù)3 代最優(yōu)適應度變化小于0.1%。

3.3.2 新一代個體生成標準

由于模型復雜，CFD 計算量較大，為加快優(yōu)化速度，因此要求在遺傳算法過程中新生成的個體相較于上一代個體有足夠的差異性。

為證明過于小的流量變化無法對人體整體熱舒適性與溫度不均勻系數(shù)造成明顯影響，對各送風噴管進行單獨的流量調(diào)整計算，同時由于各個送風口流量絕對值相差較大，因此選擇使用百分比的流量變化方式。假設其中一個類型的噴管流量增加其可變區(qū)間的2.5%（如胸前噴頭流量變化區(qū)間為8.16～11.08 g/s，變化差值為2.92 g/s，則2.5%變化的流量對應2.92 g/s×2.5%=0.073 g/s），其余噴管流量均保持不變，對各個類型噴管依次進行驗證。

表4 給出了僅有一類送風口流量增加2.5%時，人體整體熱舒適性和溫度不均勻系數(shù)的變化情況，變化對照工況為初始設計流量分配方案。利用聯(lián)合仿真方法可以獲得該駕駛艙各噴口流量在初始設計工況下人體整體熱舒適性為-0.367、溫度不均勻系數(shù)為0.025 4。從表4 中可以看出：整體熱舒適性絕對變化量小于0.02，占該檔量化表階梯的1%；溫度不均勻系數(shù)絕對變化量小于0.001 5，相對變化量小于6.9%。

表4 僅有一類送風口流量增加2.5%時整體熱舒適性和溫度不均勻系數(shù)的變化情況Table 4 Overall thermal comfort and temperature non-uniformity coefficient with flow change of 2.5% at only one type of air supply outlet

因此，為避免在某工況附近進行過多計算，制定新一代個體生成標準，即新子代個體生成時需至少有一個噴口送風流量與之前所有個體不同，且變化需大于該噴口流量可變范圍的2.5%。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

考慮到駕駛艙網(wǎng)格量很大，與舒適性聯(lián)合仿真計算非常耗時，從上百組初步計算數(shù)據(jù)其中選擇較為優(yōu)良的設計方案作為初始狀態(tài)。同時，為避免氣流產(chǎn)生過大噪聲，各送風口流量限制在設計工況的±15%較小的區(qū)間。從而，整個遺傳優(yōu)化過程收斂較快，如圖10 最佳適應度隨種群代數(shù)變化曲線所示，從第6 代種群開始最佳適應度基本不變，說明優(yōu)化過程基本完成。

圖10 最佳適應度隨種群代數(shù)變化曲線Fig.10 Curve of optimal fitness changing with number of generations in population

圖11 給出了整體熱舒適性與溫度不均勻系數(shù)不斷遺傳優(yōu)化結(jié)果。從圖中可以看出，工況36 對應整體熱舒適性最優(yōu)化結(jié)果，其各送風口流量與目前實際設計方案對比如表5 所示。從中可以看出，實際設計方案基本合理，需適當減少噴霧口流量、增加頭部、小腿供風口流量。這樣，整體熱舒適性可以從原來的-0.367 提升到-0.082，提升了0.285，占該檔量化表階梯的14%，驗證了聯(lián)合仿真與遺傳優(yōu)化算法的有效性。

表5 設計與優(yōu)化方案各送風口流量對比Table 5 Comparison of flow rates of each air supply outlet between design and optimization plan

圖11 整體熱舒適性與溫度不均勻系數(shù)遺傳優(yōu)化結(jié)果圖Fig.11 Overall thermal comfort and temperature nonuniformity coefficient genetic optimization result diagram

圖12 給出了各風口流量實際設計方案和優(yōu)化方案下人體各部位局部熱感受、熱舒適性分布對比情況。從圖中可以看出：人體絕大部分熱感受都向中性發(fā)生較大改善，局部熱舒適性也有所提升；頭部、頸部改善最大，頸部熱感受、熱舒適性分別提高了0.55、0.781，分別占該檔量化表階梯的55%、39%。

圖12 設計與優(yōu)化方案人體各部位熱感受、熱舒適對比Fig.12 Comparison of thermal sensation and thermal comfort in various parts of human body between design and optimization plan

圖13 給出了各風口流量實際設計方案和優(yōu)化方案下流場和溫度場分別云圖。從圖中可以看出：頭部兩側(cè)多孔噴管流量增加，有效彌補了原始設計方案頭部上部空間流量偏小、局部溫度偏低的問題；整體溫度分布更加均勻，溫度不均勻系數(shù)由原來的0.025 4 改善至0.021 4，提升16%。

圖13 設計與優(yōu)化方案人體周圍速度、溫度分布云圖Fig.13 Cloud diagram of velocity distribution and temperature distribution around human body in design and optimization plan

5 結(jié)論

1）針對溫度場流場極度不均勻的戰(zhàn)斗機駕駛艙環(huán)境，基于人體生理模型與環(huán)境熱對流耦合作用的聯(lián)合仿真方法可有效提升人體溫度與熱舒適性計算精度。傳統(tǒng)非耦合求解方法所得人體皮膚溫度、熱舒適性分別存在1.68 ℃、0.95 的偏差。

2）以Berkeley 整體熱舒適性與溫度不均勻系數(shù)為優(yōu)化目標，采用基于CFD 數(shù)值仿真與遺傳優(yōu)化算法可有效優(yōu)化戰(zhàn)斗機駕駛艙送風口流量分配方案。與設計方案相比，優(yōu)化后人體周圍環(huán)境溫度不均勻系數(shù)改善16%，整體熱舒適性提升了0.285，占該檔量化表階梯的14%。同時，優(yōu)化方案絕大部分局部熱感受和熱舒適性都有不同程度的改善。其中，頭部和頸部改善最大，頸部熱感受、熱舒適性分別提高了0.55、0.781，分別占該檔量化表階梯的55%、39%。