教练机座舱气流组织和热舒适性的数值模拟与实验研究

摘要

为了对某教练机环控系统的性能进行评价，改进和提高环控系统的设计，本文对某型教练机的座舱气流组织和热舒适性进行了数值模拟和实验研究。
　　 本文首先建立了教练机座舱几何模型，根据座舱型面为自由型曲面的特征，给出了座舱型面-NURBS曲面的生成方法和步骤以及NURBS曲面的网格划分方法，并生成了座舱三维非结构化网格。
　　 在分析国内外热舒适性研究的基础上，结合座舱的特殊环境与结构，对座舱热舒适性进行了研究。为了提高计算准确度，提出一种改进的PMV计算方法。不采用经验式进行对流换热系数的计算，而是通过耦合求解控制方程组的数值模拟方法直接得到PMV指标。针对环控系统的布置特点，给出数值模拟边界条件。主要针对在座舱内部的进气边界进行了合理简化设定，通过采用“进气弯管”和“质量动量源”的方式，得到了物理上等价的座舱内部进气边界条件，方便了座舱整体的数值计算。同时，本文的这种边界条件处理方法也为其它物理问题内部区域的进口边界提供一种处理思路。
　　 本文模拟结果表明，教练机环控系统进气方案能够保证气流在前后舱飞行员的周围形成漩涡绕流区，强化对流换热，从而有效带走飞行员的散热。后舱飞行员由于在头部气流较弱，散热能力略低于前舱飞行员。表征座舱热舒适性PMV指标值随座舱进气温度、人体新陈代谢率和服装热阻的增加而上升，其中PMV值与进气温度近似呈线性关系。随着人体新陈代谢率增加，服装热阻的影响明显上升。随着座舱内空气相对湿度减小，PMV值降低。因此相对于空气湿度较高的情况，相对湿度较低的座舱需要更高的进气温度才能保证其热舒适性。
　　 本文数值模拟结果可为座舱环控系统的优化设计和不同热环境条件下的运行控制提供理论依据。同时，对座舱气流组织和热舒适性研究的理论和算法可为复杂曲面包围的有限空间内流体流动和传热问题的数值求解奠定了理论基础。
　　 本文还通过建立实验台，并应用上述理论模拟计算研究成果，对某型号教练机开展了环控系统及除雾系统的方案设计与实验验证等研究工作。