基于CFD模拟结合系统仿真模型的机舱环境控制方法

摘要

本发明公开了一种基于CFD模拟结合系统仿真模型的机舱环境控制方法，主要是将飞机环境控制系统仿真模型和机舱热环境CFD模型进行结合模拟，精准获得在飞机环境控制系统调控下飞机机舱空间内各点的温度场参数，包括在此在动态控制调节下乘机人员周围的温度值，克服了现有技术中温度传感器位置设置的限制问题。通过拟合天花板温度反馈点温度变化和乘机人员周围的温度变化，实现了乘机人员周围温度的快速获得，提高了控制的实时性和控制效果的准确性，同时该优化控制等同于对人体周围温度的控制，提升了乘机人员的热舒适水平，解决了现有技术中机舱内热环境控制误差大，人员热舒适不能保证的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在飞机环境控制系统调节下机舱空气环境的优化控制方法，属于环境 与自动控制交叉领域。

背景技术

飞机机舱环境是一种特殊的人工环境，为保证机舱内乘客和机务人员的正常生活环境， 可靠高效运行的空气调节系统(即飞机环境控制系统)必不可少。在保证机舱内人员安全、 健康的同时，人员的舒适度也是极其重要的，特别是在中、长途飞行过程中。另外，在保 证乘客和机务人员舒适度的前提下，减少飞机环境控制系统的能源消耗也具有重大的意义。

目前，一般客机的机舱热环境受飞机环境控制系统、外部条件、内部人员以及机舱电 子设备的影响，其中飞机环境控制系统占主导作用。飞机环境控制系统需要消除机舱内的 热负荷(或者冷负荷)以保证机舱内人员的热舒适，但由于整个机舱空间巨大，人员密集， 电子设备分布复杂，因此机舱内空气温度分布并不均匀。现有飞机环境控制系统中使用的 温度传感器一般设置在机舱顶部天花板附近，其所监测的温度值与人员周围区域的温度值 有较大差别，并不能代表人体周围区域的温度水平。而在实际的环境控制过程中，控制系 统往往采用温度传感器所在位置的温度测量值与设定值进行比较从而实现机舱内空气温度 的控制。这种温度控制的方法容易造成控制误差，会导致机舱内人体周围区域空气温度过 冷或者过热，不能满足人员的真实热舒适要求，无法提供令人满意的机舱热环境，同时也 会导致空调系统能耗的增加。

对于上述问题，如何根据实际情况修正反馈点的温度值，使得飞机环境控制系统的控 制效果满足人员的热舒适要求是问题的关键。在现有技术和工具中，通过CFD模拟的方法 能够精确获得机舱空气环境中的各个物理参数包括温度、速度分布，但是由于CFD模拟的 方法中未能考虑到控制条件下边界条件的实时变化，因此模拟结果并不能反映真实的情况。 另外有很多系统仿真工具可以方便的建立飞机环境控制系统模型，但是该系统模型只能模 拟飞机环境控制系统，并不能根据机舱环境反馈温度的实时变化进行调节。

发明内容

基于上述情况，本发明提供一种基于CFD模拟结合系统仿真模型的机舱环境控制方法， 主要是将机舱内热环境模拟的CFD模型与飞机环境控制系统的系统仿真模型结合起来进行 模拟计算，可以很好地反映真实情况，同时建立反馈点温度与人体周围温度的变化关系， 实现对人体周围温度的控制，提升人员的热舒适水平。本发明控制方法解决了现有技术中 机舱内热环境控制误差大，人员热舒适不能保证的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于CFD模拟结合系统仿真模型的机舱环 境控制方法，包括以下步骤

步骤一、利用ANSYSFluent流体力学仿真软件为机舱热环境建立CFD模型，其中至 少包括设置在飞机机舱天花板上的温度反馈点的具体位置；利用ANSYSSimplorer仿真软 件建立飞机环境控制系统模型，所述飞机环境控制系统模型的输入参数至少包括天花板温 度反馈点的温度值、室外空气温度以及发动机引气温度，所述飞机环境控制系统模型的输 出参数包括经过飞机环境控制系统处理和调节后的送风空气温度；

步骤二、根据飞机所处的飞行状态、室外环境参数确定飞机环境控制系统的边界温度， 以此作为飞机环境控制系统模型的边界条件；根据飞机机舱内部设计参数、飞机壁面特征 确定机舱内壁面的边界温度，并将此参数作为机舱热环境CFD模拟的壁面边界条件；

步骤三、根据飞机的初始运行状态和步骤一中飞机环境控制系统模型的特点确定初始 送风空气温度值；

步骤四、将飞机环境控制系统模型中的送风温度值作为机舱热环境CFD模型的风口温 度边界条件，通过机舱热环境CFD模拟得到当前工况下的机舱内部热环境参数，提取出天 花板温度反馈点的温度值和所有乘机人员所处位置的温度值；

步骤五、将提取出的天花板温度反馈点的温度值作为飞机环境控制系统模型的输入参 数之一，该系统模型通过控制调节，模拟计算得到一个新的处理后的送风空气温度参数；

步骤六、将步骤五得到的送风空气温度参数作为新工况下机舱热环境CFD模型计算的 风口温度边界条件，机舱热环境CFD模型根据此边界条件模拟得到新工况下的机舱热环境， 并提取出天花板温度反馈点的温度值和所有乘机人员所处位置的温度值；

步骤七、所述飞机环境控制系统模型和机舱热环境CFD模型根据步骤五和步骤六循环 计算，实现飞机环境控制系统对机舱内热环境的动态控制，从而得到一系列在飞机环境控 制系统调控下机舱内天花板温度反馈点温度和所有乘机人员所处位置的温度变化数据；

步骤八、将步骤七得到的一系列在飞机环境控制系统调控下机舱内天花板温度反馈点 温度和所有乘机人员所处位置的温度变化数据进行拟合，得出动态条件下所有乘机人员所 处位置的温度与天花板温度反馈点温度的关系，最终得到反映所有乘机人员所处位置的温 度水平的天花板温度反馈点温度修正模型；

步骤九、根据步骤八得到的天花板温度反馈点温度修正模型对天花板温度反馈点的温 度进行修正，并结合所述飞机环境控制系统模型和机舱热环境CFD模型按照步骤五和步骤 六进行机舱热环境的控制模拟，实现机舱内热环境的优化控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过结合飞机环境控制系统模型和机舱热环境CFD模型，能够精准获得飞机机舱动态 变化边界条件下机舱空间中各点的温度场参数，克服了温度传感器位置设置的限制问题， 能准确获得在动态控制调节下人员周围的温度值。

通过离线拟合天花板温度反馈点动态温度变化和人员周围的温度变化，实现了人员周 围温度的快速获得，提高了控制的实时性和控制效果的准确性。

总体上，通过本方法，克服了常规温度传感器所测温度用于控制机舱内热环境导致人 员热不舒适的问题，该优化模型的温度控制等同于对乘机人员周围环境的控制，既满足了 乘机人员舒适度的需求，同时也避免了根据天花板附近测点的温度反馈值进行温度控制造 成的机舱内热环境过冷或者过热导致的能源损失。

附图说明

图1为本发明典型飞机环境控制系统；

图2为本发明采用的MD82飞机头等舱模型；

图3(a)为本发明方法技术实施流程中温度离线拟合流程图；

图3(b)为本发明方法技术实施流程中机舱热环境优化控制流程图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步 详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

图1为一个典型飞机环境控制系统图，包括主要空气处理部件(初级换热器、压缩机、 次级换热器、涡轮机、空气混合箱、风扇、送风管道)和温度PID控制器，该系统的出口 空气温度参数经过空气处理部件的处理后，受PID控制器调控的流量控制阀来调节，PID 控制器根据机舱内反馈点的温度值进行对比，调节流量控制阀的开度控制出口空气温度值。 图2为一个三维MD82飞机头等舱模型示意图。该机舱的地板尺寸为3.28m(长)×2.91m (宽)，舱顶最高处距离地板2.04m，空间体积约为15.48m³，机舱内座椅有3排，每排4 个，共12个，每个座椅上有一名乘客，共12名，机舱中间为过道，机舱送风口为条缝送 风，位置在机舱壁面两侧距离地板高度约为1.45米，排风口在两侧壁面底部，天花板温度 反馈点在机舱过道中间顶部距离天花板0.03m的位置。

下面根据图3(a)和图3(b)本发明实施流程图详细描述本发明方法的实施包括以下 步骤：

步骤一、根据图1典型飞机环境控制系统图，利用ANSYSSimplorer仿真软件建立飞 机环境控制系统模型，所述飞机环境控制系统模型的输入参数至少包括天花板温度反馈点 的温度值、室外空气温度以及发动机引气温度，所述飞机环境控制系统模型的输出参数包 括经过飞机环境控制系统处理和调节后的送风空气温度；在系统仿真软件中建立飞机环境 控制系统模型，主要包括各部件的建模和PID控制器的建模，具体为该系统中各个主要部 件：初级换热器、压缩机、次级换热器、涡轮机、空气混合箱、风扇、送风管道的特征参 数设置，环控系统中PID控制器参数设置。在该系统中主要计算高温引气在处理过程中经 过各个部件的流量、温度、压力变化以及在PID控制器调节下通过流量控制阀的空气流量， 该模型最终输出参数为送风管道出口处的送风空气温度；根据图2建立飞机机舱热环境的 CFD模型，利用ANSYSFluent流体力学仿真软件为机舱热环境建立CFD模型，其中至少 包括设置在飞机机舱天花板上的温度反馈点的具体位置；确定飞机机舱内部边界，包括内 壁面、窗户、地板、天花板、座椅、人员的位置及尺寸，利用三维建模软件建立机舱环境 几何模型，并对机舱的几何模型进行网格划分并定义边界属性；将划分网格后的机舱热环 境CFD模型导入计算流体力学软件中；

步骤二、对飞机环境控制系统模型和机舱热环境CFD模型进行边界条件设置。根据飞 机所处的飞行状态、外部环境参数确定飞机环境控制系统的边界温度，以此作为飞机环境 控制系统模型的边界条件；根据飞机机舱内部设计参数、飞机壁面特征确定机舱内壁面的 边界温度，并将此参数作为机舱热环境CFD模拟的壁面边界条件，即将壁面、窗户、地板、 天花板、座椅、人员设置为温度边界或热流边界条件，机舱送风口设置为质量流量入口边 界条件，机舱排风口设置为流出边界；

步骤三、根据飞机飞行状态、外部空气参数和初始的流量控制阀门开度以及步骤一中 环境控制系统模型的特点确定飞机环境控制系统的初始出口空气温度值，即送风温度值；

步骤四、将飞机环境控制系统模型送风温度值作为机舱热环境CFD模型的送风口温度 输入参数，机舱热环境CFD机舱模型根据此送风温度参数和壁面边界条件计算机舱内部的 热环境，得到三维机舱内热环境参数，通过机舱热环境CFD模拟得到当前工况下的机舱内 部热环境参数，并提取出天花板温度反馈点的温度值和所有乘机人员所处位置的温度值；

步骤五、将提取出的天花板温度反馈点的温度值作为飞机环境控制系统模型中PID控 制器的输入参数，PID控制器根据此反馈值与设定值进行对比，调节流量控制阀的开度从而 模拟计算得到环境控制系统新的处理后的出口空气温度，即送入机舱送风口的空气温度；

步骤六、将环境控制系统新的出口空气温度参数作为新工况下机舱热环境CFD模型计 算的送风口温度边界条件，机舱热环境CFD模型根据此边界条件模拟得到新工况下的机舱 热环境，并提取出天花板温度反馈点的温度值和所有乘机人员所处周围位置的温度值；

步骤七、飞机环境控制系统仿真模型和机舱热环境CFD模型根据步骤六、步骤七循环 计算，实现飞机环境控制系统对机舱内热环境的动态控制，最终得到一系列在飞机环境控 制系统调控下机舱内天花板温度反馈点温度和所有乘机人员所处位置的温度变化数据；

步骤八、将步骤七得到的一系列在飞机环境控制系统调控下机舱内天花板温度反馈点 温度和所有乘机人员所处位置的温度变化数据进行拟合，该拟合以反馈点温度、时间、距 离为自变量，人员周围温度为因变量，得到人员周围温度与反馈点温度的关系，建立一个 拟合模型对天花板反馈点温度进行修正，最终得到反映所有乘机人员所处位置的温度水平 的天花板温度反馈点温度修正模型；

步骤九、根据步骤八得到的天花板温度反馈点温度修正模型对天花板温度反馈点的温 度进行修正，并结合所述飞机环境控制系统模型和机舱热环境CFD模型按照步骤五和步骤 六进行机舱热环境的控制模拟，实现机舱内热环境的优化控制可达到保证机舱人员周围环 境舒适的目标。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。