战斗机驾驶舱环境热舒适性仿真与优化

战斗机驾驶舱环境热舒适性是保障飞行员人机工效,确保战斗机发挥最佳作战性能的重要因素。但是,常用预期平均投票数-预期不满意百分数（PMV-PPD）人体热舒适性评价指标无法适用于驾驶舱内极度不均匀流场和温度场环境,驾驶舱环境热舒适性缺乏有效优化设计手段。首先利用STAR-CCM+、TAITherm 2个软件,实现了驾驶舱内气流组织与Fiala人体生理模型和Berkeley热舒适评价指标的联合仿真功能;进一步以人体热舒适性和温度不均匀性系数为优化指标,采用遗传算法（GA）对驾驶舱多个送风口流量分配进行一定优化设计。与传统非耦合求解方法相比,联合仿真方法可有效提升驾驶舱内飞行员皮肤温度与热舒适性计算精度。与原始设计方案相比,优化后人体周围环境温度不均匀系数改善16%,整体热舒适性提升了0.285,占该档量化表阶梯的14%。同时,优化方案绝大部分局部热感受、热舒适性都有不同程度的改善。其中,头部和颈部改善最大,颈部热感受与热舒适性分别提高了0.55、0.781,分别占该档量化表阶梯的55%、39%。     

旅客机座舱热舒适动态特性仿真

巡航飞行时,旅客机座舱内相对湿度和空气密度都低于地面建筑物环境。低相对湿度会造成更高的蒸发热损失,低密度空气却会减少对流换热,在这2种因素的复合作用下,会使座舱内热舒适性与地面建筑物有所不同。针对传统旅客机环境控制系统不能完全满足座舱内舒适性要求的状况,提出一种直接以舒适指标PMV为控制目标的热舒适控制策略,应用集总参数法建立了座舱热舒适动态特性模型,并采用仿真方法研究了分别以PMV和温度作为控制目标时,座舱内热舒适的动态特性。仿真结果表明,舒适控制能更好地满足座舱内的热舒适;此外与地面建筑物环境相比,需要更高的空气温度才能使座舱达到热舒适。     

液冷式个体热调节的二维体温调节数学模型

 本文提出了一种新的液冷式个体热调节二维体温调节数学模型。该模型可用于预测人员处于非均匀热环境中,在不同着装及不同做功状态下的体温响应过程,并估算出人员在高温环境中的可坚持工作时间;本模型还可以用于液冷服的最优化设计及对个体调温系统进行评价。本文用大量的高温舱试验数据,验证了本模型的正确性及良好的工程实用性。     

基于集总虚拟湿源的民机客舱湿度预测

 热湿环境是影响国内及国际航线民机客舱舒适性的主要因素,准确获得客舱热湿动态变化特性,对于飞机客舱舒适性研究具有重要意义。从现役国内及国际航线民机热湿环境现状测试分析入手,引入集总虚拟湿源(LVMS)项,建立客舱湿度预测模型,并利用跟机测试数据辨识得到相关机型的模型参数,使用该模型来提高涵盖飞行包线的湿度预测精度。该集总虚拟湿源项能使用简单的集总方程整体地反映所有内饰材料湿气吸收和脱附过程。研究结果表明:提出的湿度预测方法与实测数据吻合较好,能够反应不同机型不同飞行剖面下的客舱湿度变化特性,可为未来我国民机客舱热湿控制系统的设计与控制策略的制定提供依据。     

基于改进PMV指标的飞机驾驶舱热舒适性分析

由于飞机驾驶舱处于高空太阳辐射的狭小热环境中,现有的人体热舒适性评价指标无法准确评价其热舒适性。本文从人体热平衡方程出发,对人体热舒适性预测平均评价(PMV)指标中的辐射换热项进行了修正,提出了一种适用于飞机驾驶舱内部热舒适性评价的指标PMV_F(PMV for Fighter)。同时,采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法对驾驶舱内部气流组织进行了数值计算,并对其热舒适性进行了分析。计算结果与实验数据吻合较好,基于PMV_F指标的计算结果能够反映驾驶舱内飞行员的热舒适状况,表明该方法可以用于飞机驾驶舱的热舒适性设计与评价。     

CFRP电流辅助铆接的连接域热响应建模与验证

钛合金铆钉变形时易不均匀、易开裂,在碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）铆接过程中引入脉冲电流作用,软化铆钉并改善其塑性。研究了连接域内的热响应机制与温度场分布,基于能量守恒、焦耳热定律、热传导定律构建了静态焦耳热模型表征稳态换热铆接工况下的CFRP温度,考虑铆接过程电流波动、温度分布不均和热区域分散性建立了动态温度场模型预测铆接过程温升。结果表明：CFRP孔周一定辐射半径范围处温度与钉中心温度线性相关,模型准确模拟出了40 s内的过程温度。静态模型在11%误差以内精准预测了中心饱和温度,动态模型模拟的温升趋势与实测温度值吻合较好。热量传递的滞后性使得动态模型对快速温升时的温度预测存在误差,该误差随电流密度变大而增加,最大达17.15%。接头损伤评估表明过程温度控制在150℃内时可获得质量合格的铆接接头。     

基于POD方法的复杂外形飞行器热环境快速预测方法

使用CFD数值方法获得三维热环境数据库,利用本征正交分解对CFD数据库进行降阶处理,结合相应的基系数插值方法,快速预测出未知状态下满足精度要求的表面热环境参数。以Hermes外形为研究对象,建立热环境数据库,使用本文提出的方法预测未知来流状态下模型表面热流,并和CFD结果进行对比。结果表明,该方法可大幅提高计算效率,不损失预测精度。分析了数据库包络性对重构精度的影响。实现了沿给定弹道的三维热环境快速预测。该方法能够反映真实的热流空间分布特征,快速获得精确的激波干扰区热流,有力地弥补了工程算法的不足。     

载人飞船密封舱热舒适性评价

结合在轨飞行数据,采用PMV-PPD模型对载人飞船密封舱热舒适性进行了评估,基于在轨飞行数据计算了载人飞船PMV值,分析了密封舱空气温度、湿度以及舱内壁温度对热舒适性的影响。同时针对目前载人飞船实际情况,提出了通过提高舱壁辐射温度改善密封舱热舒适性的方法,可为后续的载人航天器特别是载人飞船密封舱在热控设计中提高热舒适性提供参考。     

一种部分森林覆盖环境电波传播特性预测方法

针对部分森林覆盖环境中传播媒介的非均匀性,提出一种基于动态网格的抛物方程(PE)预测方法,该方法采用宽角PE法进行大区域电波传播特性预测。为平衡PE求解的准确性与时效性,引入动态网格技术。通过仿真算例,探讨了基于动态网格的PE法在部分森林覆盖环境电波传播特性预测中的有效性。结果表明:在计算精度相似的情况下,相对于均匀细网格,动态网格会大大减少PE所需的计算时间;而相比均匀粗网格,动态网格具有更高的计算精度。     

氧化层非均匀增长对热障涂层应力分布的影响

利用扫描电镜对不同氧化程度的热障涂层(TBCs)进行观察,分析发现热生长氧化层(TGO)各部位并非均匀增长。假设热生长氧化层的形状为正弦曲线,用统计方法处理扫描电镜图片可以得到热生长氧化层的基本几何参数。由此建立单波形二维轴对称有限元模型,计算并分析了非均匀增长模型的应力状况。结果表明:相同温度下,非均匀增长模型的轴向、剪切和Mises应力分量的变化趋势与均匀增长模型的对应趋势一致;但是非均匀增长模型的各个应力分量最大值均小于均匀增长模型的应力分量最大值。      

用于预测轴流压气机内角区分离的RANS和SBES方法评估

为了提高压气机内角区分离的RANS建模精度，基于剪应力输运模型（SST模型），本文评估了湍流非平衡和各向异性修正对压气机角区分离预测的影响。结果表明，角区分离区上游端壁二次流以及角区分离流均呈现出很强的湍流非平衡和各向异性行为，结合非平衡和各向异性修正而提出的NSST-Helicity-QCR模型能够在各类工况下给出最为准确的角区分离预测结果。为了进一步验证提出的NSST-Helicity-QCR模型能够合理捕捉压气机端区流动物理，基于一种新型混合RANS-LES方法——应力融合涡模拟（SBES）构建的高保真时间精确湍流数据库，本文对NSST-Helicity-QCR模型进行评估反馈。结果表明，NSST-Helicity-QCR模型合理捕捉了端壁二次流以及角区分离流的湍流非平衡行为，但仍低估了角区分离区内的湍流各向异性行为。     

燃烧室-涡轮耦合流动传热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机燃烧室和涡轮耦合复杂气热环境下涡轮部件的流动和换热特性,应用基于BSL k-ω湍流模型的高精度超大涡模拟方法(VLES),以及SST k-ω雷诺平均湍流模型对雷诺数为Re=3.8×105的高压涡轮导叶在均匀进口条件以及燃烧室-涡轮耦合情况进口条件下的涡轮流动和传热进行了数值研究.耦合火焰面生成流型(F...     

基于RBF和主动学习的非概率可靠度求解方法

进行结构非概率可靠性分析时，对于失效域与超椭球不确定域发生干涉的情况，非概率可靠度相较于非概率可靠度指标更具有适用性。为了提高超椭球模型下结构非概率可靠度的求解效率，本文提出一种求解非概率可靠度问题的高效主动学习方法。首先，结合交叉验证和jackknifing方法推导了RBF模型在未知点处的jackknifing方差以评估模型预测的不确定性，并根据该方差基于RBF的主动学习函数对非概率可靠度进行求解。其次，提出有效收敛准则来终止非概率可靠性分析的主动学习过程。最后，3个算例表明该方法能够在较少功能函数调用次数下得到精确的非概率可靠度估计值，具有良好的工程应用价值。     

热环境对飞行器壁板结构动特性的影响

 高超声速飞行器在巡航或再入过程中面临着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,对热防护系统结构的完整性和耐久性提出了严峻挑战。热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础,本文对四周简支的飞行器热防护系统金属加筋壁板热动特性进行了分析,使用有限元软件NASTRAN建立分析模型,基于理论和有限元方法获得了壁板结构热屈曲临界温度,研究了热环境对固有振动频率和固有振型的影响,对比分析了均匀和非均匀温度场对结构模态的影响。结果表明,壁板结构在热环境下易发生屈曲,热模态分析中需考虑热屈曲、大位移变形等因素。同时证实热环境对壁板结构动特性影响较大,结构的固有振动频率随热环境下弹性模量的降低而减小,热应力对结构的固有振动频率和振型都有影响,当温度场分布改变时,固有振动频率的变化规律基本相同,固有振型则不同。     

热环境中非保守简支-固支FGM梁的非线性力学行为

研究均匀和非均匀升温场中功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁在切线随动分布载荷作用下的非线性力学行为。基于可伸长梁的几何非线性理论,建立热环境中功能梯度材料梁在切线随动分布载荷作用下的控制微分方程。采用打靶法分析由陶瓷二氧化锆和金属钛合金两相材料组成的FGM梁的非线性力学行为。给出均匀升温和非均匀升温环境下,FGM梁在切线随动分布载荷作用下的平衡路径和平衡构形。讨论均匀和非均匀升温、材料梯度性质参数对梁屈曲和过屈曲行为的影响。结果表明:热环境中,FGM梁发生弯曲而纯陶瓷梁会发生屈曲行为;非均匀升温对非保守梁的力学行为有较大影响。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

虚拟维修人体模型姿态舒适性评估库的设计与开发

通过分析常用人机系统标准和方法,提出了虚拟维修人体模型姿态舒适性评估库的内部结构和组成,并进行了评估库准则、评分细则和等级表示的设计.论述了基于DELMIA人机模块的应用开发框架,结合沉浸式虚拟现实环境下直升机的某一典型虚拟维修性活动,对虚拟维修人体模型姿态舒适性评估库设计与开发的效果进行了实例验证,并作了相应总结.     

航空发动机顶层设计指标评价方法及软件开发

采用层次分析、熵值、质量功能展开、模糊综合评价等运筹学的基本方法,结合航空发动机行业的技术特点,建立了一套能够量化评估航空发动机的先进性和技术成熟度等顶层设计指标的评价方法,并在C++Builder编译环境下开发了面向对象的评估软件。在民用航空发动机项目中的实际应用表明,方法能够对航空发动机的先进性和技术风险等顶层设计指标进行合理的量化评估,并对航空发动机研发过程中的技术成熟度进行动态跟踪。     

燃气涡轮发动机压缩系统稳定性数值模拟的研究

论发展了一种预测航空燃气涡轮发动机压缩系统稳定工作边界的数学物理模型。其中压缩系统流动过程的动态模型采用基于平行压气机理论的准一维时间相关模型方程；叶片排对流动过程的影响则应用“激盘－滞后－容积”模型；压缩系统稳定性模型则采用了对整个压缩系统统一判别的方式。计算过程与发动机非设计性能计算相关联，使得压缩系统稳定性分析在真实的发动机运行环境（调节规律）下进行。在均匀进气条件下应用这种方法，对一台九级压气机的涡轮喷气发动机和一台三级低压风扇、五级高压压气机的低涵道比、混合排气、带加力的涡轮风扇发动机在均匀进气和畸变进气条件下的稳定工作边界，分别进行了数值模拟和分析。结果表明，发展的数学物理模型和计算机软件系统可以正确的反映发动机压缩系统的工作状况，用它判别发动机不稳定工作点的重复性和灵敏度都比较好。     

基于共轭换热的涡轮转子热环境预测方法研究（英文）

为了开发适用于发动机方案设计阶段的涡轮转子热环境预测方法,开发获得了一种快速而准确的稳态热环境预测算法。算法求解二维和三维导热方程来计算固体导热,用二维边界层算法计算叶身燃气边界条件,用一维流体网络法计算空气系统流量。使用该算法对某型涡扇发动机高压涡轮转子进行了温度场计算,并与试验结果进行了对比,温度误差约为30~40K。对燃气边界和冷气边界分别对比了共轭换热计算和非共轭换热计算模式下结果的差异,温度差值在120K左右,流量相对差值在10%左右。结论表明:对于空气系统边界,共轭模型显著影响计算精度;而对于主流边界,就本文研究的非冷却叶片而言,是否采用共轭模型对温度场预测影响很小。