人机与环境工程中若干问题的数值模拟研究

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　　【摘 要】数值模拟是相对于物理模拟（实验模拟）而言的，数值模拟是指用数值方法在计算机上对描述物理过程的控制方程进行求解，从而再现或定量分析该过程。开展数值模拟研究的物质基础是计算机，近年来，随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟也得到了相应的发展。
　　【关键词】人机；环境工程；数值模拟
　　1人机与环境工程简介
　　人机与环境工程是航空宇航科学与技术的重要组成部分，是航空航天领域人机工程、飞行器环境控制技术和航空宇航生命保障技术的综合性研究方向。在现代航空宇航活动中，驾驶员和乘员有着不可替代的作用，如何保证人员的生命安全、生活环境的舒适和工作的高效是航空宇航科学与技术研究的关键问题之一。围绕解决该问题而产生了人机与环境工程这一新兴交叉学科，其研究内容主要包括人机工程，飞行器环境控制技术，航空航天环境模拟技术，航空航天生命保障技术，空调制冷技术，以及航海器和交通运输车辆中的人机工程与环境控制技术等。
　　2人机与环境工程中的数值模拟方法及其应用
　　人机与环境工程中的数值模拟方法根据其所模拟的对象，在具体应用中大致可分为两大类：集中参数法和分布参数法。集中参数法是把研究对象看成在空间具有均匀参数的系统，研究目的是根据所建立的模型和对象的初始状态或输入参数，数值模拟出其终状态或输出参数。使用该方法可以定性的给出系统的总体性能，结合实验给出的经验公式也可以对系统进行定量分析。这种方法其控制方程简单、所需计算时间较短，适用于大系统的数值模拟或为控制系统处理可观、可测参数，但它不能给出系统内各参数的分布细节。分布参数法主要用来分析研究对象内部各参数的分布情况，同时也能实现系统的定量分析，显然其研究内容涵盖了集中参数法的研究内容，但该方法的控制方程和数值模拟方法复杂、计算时间较长，一般不适用于大系统的分析，通常也不为系统中的控制系统采用。
　　人机与环境工程中的数值模拟方法研究由来已久，在二十世纪七十年代国外已经采用集中参数法，对以空气循环制冷系统为基础的飞行器环境控制系统进行了数值模拟，在实验验证后形成了早期的软件“EASY”系列，此软件能够对环控系统的动静、态性能和系统的控制品质进行定量分析，但使用该软件时，必须提供系统中各部件的试验性能曲线。随着机载设备冷却要求的提高，以蒸发循环制冷系统为基础的环控系统在飞机上得到了应用，国外也采用数值模拟方法对其进行了研究。在采用集中参数法进行系统数值模拟中，首先需要对系统中的各部件进行数值模拟，在试验的基础上进行修正，然后根据系统中各部件之间的关系，建立系统数值模拟方法。国内自二十世纪九十年代也开始了这方面的研究，采用集中参数法分别对空气循环制冷系统中的换热器和涡轮冷却器进行了数值模拟，在此基础上进行了飞行器环境控制系统的数值模拟研究。由于缺乏实验和资料数据的验证，国内的这方面研究只是方法的探索，尚未应用到工程设计中。
　　人机与环境工程中的分布参数数值模拟方法，就是采用计算传热学和计算流体力学解决人机与环境工程中的问题。在国外，计算传热学和计算流体力学早就被应用来解决人机与环境工程中的工程问题了。采用数值模拟的方法对飞机座舱内的气流组织进行计算，把计算结果和实验结果对比后，认为采用数值模拟的方法可以代替实验模拟。波音公司采用FLUENT软件对飞机座舱气流组织进行数值模拟的结果报告，是国外目前有关飞机座舱气流组织的唯一可检索到的文献，但没有给出具体数值模拟方法，以及如何考虑自然对流对气流组织的影响，只给出了二维数值模拟结果与实验结果的对比。国内也开展了分布参数数值模拟方法的研究，采用导热一对流一辐射藕合的模拟方法，对飞机蒙皮座舱各壁面的温度进行了计算，给出了飞机座舱的动态热载荷。文献中座舱内外的换热系数是由经验公式给出，并没有对座舱内的流场、温度场进行计算。
　　3湍流流动与传热的数值模拟方法
　　人机与环境工程中所研究的大多数问题与流动与传热有关，且都是复杂的湍流流动与换热问题。对流动与传热问题进行数值模拟时，首先需要对所计算区域在空间上进行网格划分，生成计算用网格的方法称为网格生成技术。网格生成技术可以分为结构化网格生成技术和非结构化网格生成技术两大类。自1974年Thompson等三人提出生成贴体坐标的方法以来，结构化网格的生成技术用于解决工程中复杂区域内的网格划分得到了充分的发展。而非结构化网格生成技术是二十世纪九十年代发展起来的处理复杂区域网格划分的方法。计算网格的质量对流动与传热问题的数值模拟有很大的影响，有时甚至起到决定性的作用。网格生成技术在计算流体力学和计算传热学中的重要性日益被人们所认识，如今网格生成技术己发展成计算流体力学的一个重要分支。
　　采用数值模拟的方法研究湍流流动与传热，其核心内容是如何离散描述湍流流动与传热过程的微分方程（控制方程），及如何对离散方程进行求解。离散控制方程的常见方法有：有限差分法、有限容积法、有限元法、有限分析法、边界元法等，目前被广泛使用的主要是有限差分法、有限容积法。根据离散方程因变量的不同，控制方程的数值算法可分为压力基算法和密度基算法。压力基算法把压力作为离散方程中的因变量，该算法一般是联合连续方程和动量方程得到压力修正方程或压力方程，求解得到压力和温度后，由状态方程导出密度。此类算法的优点是能够兼顾处理可压缩和不可压缩流，典型的压力基算法有MAC，SIMPLE系列、PISO等。密度基算法采用密度作为离散方程因变量，得到温度和密度后，由状态方程得到压力。密度基算法被广泛应用于可压缩流和外流，TVD，ENO，MUSCL等高精度格式算法属于密度基算法。在处理低速流动和不可压流时，由于密度压力藕合弱，往往采用添加人工粘性项等方法处理，计算效率低。
　　在压力基算法中，动量方程中的压力相采用中心差分时，预测的压力场会出现棋盘形失真。解决此问题的方法目前有两种，一种是由Patankar和Spalding提出的交错网格法，另一种是在同位网格下，采用动量插值的方法计算界面流速。交错网格法采用多套网格，需要进行有关几何及计算参数的反复插值，耗费机时多、程序编制复杂。而同位网格法相对节省机时、程序简单，是当前主要采用的方法。对控制方程离散后的代数方程组的求解方法是数值模拟中的另一个重要问题。求解代数方程组的方法一般分为直接解法和迭代解法两大类。直接解法无需迭代直接获得代数方程组的精确解，但对于流动与换热这样的非线性问题，离散方程的系数矩阵巨大，且系数是所求参数的函数，使用直接解法需要占用较大的计算机内存和花费较多的CPU时间，应用很少。目前，求解离散方程的主要方法是迭代解法，迭代解法收敛速度的快慢是衡量其算法好坏的标准，为了加速收敛常用的计算方法有ADI交替方向扫描、SIP、块迭代、多重网格等。
　　结束语
　　总而言之，數值模拟相对于物理模拟具有通用性强、成本低、周期短等优点，用数值模拟方法可部分或完全替代实验模拟；另外，对有些地面实验无法模拟的物理过程，只能采用数值模拟和地面实验相结合的方法来研究。
　　参考文献：
　　[1]郑小漪.救生舱内部气流组织的数值模拟与试验研究[D].南京航空航天大学，2012.
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　　[3]易陆君.航空发动机轴承健康管理仿真试验方法研究[D].沈阳航空航天大学，2013.
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