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利用仿真技术设计宜人的客舱飞行环境

2017/1/5    来源:互联网    作者:沈雄  陈清焰      
关键字:仿真技术  客舱  
出于对乘客舒适性与安全性的考虑,无论在飞行中还是在地面上,都需要对飞机机舱内外的极端温差与压差进行调节。将系统级仿真和详尽的热分析方法完美结合在一起,能够充分满足业界标准。

    要切实实现舒适安全的商业航空旅行,需要面向各种极端的外部气候条件营造出宜人的客舱飞行环境。为了成功地设计出令乘客倍感舒适的客舱,整套飞机组件系统必须按照行业标准协同运作来控制舱内气候,进而保持飞机内部适当的气压与温度。

    一架民航客机的环境控制系统(ECS) 由多个关键部分组成,包括热交换器、管线、压缩机、风机、涡轮机和水分离器等。在3万到4万英尺的巡航高度飞行时,飞机外部气温约为-50到-60摄氏度(-58到-76华氏度),压力为0.3atm到0.2atm(4.2psi到2.9psi)。对于乘客的安全和舒适而言,这样的条件过于恶劣,必须在客舱内加以提高。为此多个系统必须高效协调工作。例如在双轮ECS系统中的热交换器内,冲压空气需要对来自发动机的高压热空气进行冷却。随后,压缩机进一步对空气加压,使其在高温下达到所需的压力。这股热空气在主热交换器中再度冷却。通过涡轮机后,气温已降至所需的冷却温度,而压力也提升到适合的水平。这个冷却流程会造成水蒸汽凝结,所以采用了水分离器去除冷凝水。最后,冷空气与经过滤的机舱回流空气混合,才能提供合适的温度和压力。随即,ECS将来自混合歧管的空气分配到机舱中,带走机舱空气中乘客、空勤和设备产生的热量,并将机舱中的气压保持在相当于大约海拔6,000英尺的大气压。

    为成功设计出令乘客舒适的客舱,系统必须分工合作,保持飞机内部适当的气压与温度。

系统仿真

    为方便ECS设计人员工作,有必要首先理解这些组件之间的相互作用,然后再在实际飞行期间对上述组件进行测试。中国天津大学和美国普渡大学的研究人员致力于使用ANSYS的系统级和计算流体动力学(CFD)仿真工具来研究ECS的行为。这两所大学密切合作,通过使用 ANSYS软件对交通运输领域中与人类健康、安全和舒适有关的问题开展研究。波音(Boeing)和中国商用飞机有限责任公司(COMAC)等飞机制造商同ANSYS一样,都是“座舱空气革新性环境”(CARE)联盟的成员。

    这两所大学的研究工作为CARE的目标提供了支持。 在整体系统层面,机舱的热环境受温度控制器调控,其中使用来自机舱的反馈信号可调节发动机引气的流速。该控制器内置比例-积分-微分(PID)逻辑,而研究团队则可使用ANSYS Simplorer中内建的PID模块将该逻辑实现到系统级模型中。在细节层面,该团队使用从激光跟踪系统获得的几何结构并采用640万个单元构成的网格,在ANSYS学术研究CFD(ANSYS Fluent)软件中为MD-82喷气飞机的头等舱创建了3D模型。

图1 MD-82飞机以及用于在地面对机舱进行供暖或冷却的GAC系统

图1 MD-82飞机以及用于在地面对机舱进行供暖或冷却的GAC系统

    研究人员致力于使用ANSYS的系统级和计算流体动力学(CFD)仿真工具来研究ECS的行为。

图2 来自发动机的气流流经ECS组件进入机舱的流程图

图2 来自发动机的气流流经ECS组件进入机舱的流程图

    研究人员随后对Simplorer和Fluent模型进行耦合,以便分析ECS对机舱热环境的瞬态影响。在耦合仿真过程中,Simplorer对机舱供应空气温度的预测为详细的CFD机舱模型提供了边界条件。将机舱各个位置的CFD温度预测值与所需的温度设定点做比对,任何偏差都会引发温度控制器对发动机引气流速的调整。该流速构成Simplorer ECS模型新的边界条件,同时,迭代继续进行,直至完成。

图3 MD-82头等舱CFD模型的几何结构(左)和网格(右)

图3 MD-82头等舱CFD模型的几何结构(左)和网格(右)

责任编辑:马倩
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