弹射座椅是飞机遇险时，拯救飞行员生命的重要救生装备，分为密闭式弹射座椅和敞开式弹射座椅。由于密闭式弹射座椅结构复杂、造价昂贵、低空救生性能差，在实际应用中很少采用这种弹射座椅。使用敞开式弹射座椅，飞行员不可避免地会受到气流吹袭。据统计，当飞机的表速超过1 290 km/h时，飞行员因气流吹袭造成的重伤率为100%，高速气流防护技术为下一代弹射座椅研究的关键技术之一^[1]。因此，对高速气流吹袭下飞行员损伤机理进行研究具有重要意义。

随着计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术的快速发展，国外于20世纪90年代就已应用CFD方法对人椅系统进行数值模拟，特别是Habchi等^[2]在美国海军部门资助下开展了三维N-S方程用于弹射座椅系统的数值模拟研究，并研发了两套可投入工程应用的数值分析软件。国内采用CFD方法对人椅系统进行数值模拟方面的研究起步较晚，目前研究也相对较少，宋保银等^[3]利用简化人体模型，采用标准k-ε湍流模型对人椅系统外流场进行数值模拟；魏涛等^{[4, 5]}采用DES方法分析了人体四肢及防护气动特性，丁春全等^[6]对人椅系统中心对称面形成的二维外形进行了数值模拟。以上研究者采用的数值模拟方法主要是基于RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法和DES(detached eddy simulation)方法的，但是RANS方法在计算钝体绕流时结果不够精确，DES方法计算结果受网格的影响很大。本文应用尺度自适应 (scale adaptive simulation,SAS)方法对人椅系统外流场进行数值模拟，分析高速气流吹袭对飞行员造成的损伤。

进行数值模拟需要获取弹射救生人椅系统的基本参数，分析人椅系统的外形结构，对人椅系统几何外形进行适当地简化。而后，根据人体、弹射座椅等的基本参数应用计算几何的相关知识，利用专业的CAD软件进行几何模型的构建。

构建完成的几何模型需要保存为特定的格式导入前处理软件，前处理主要包括定义人椅系统几何计算域，对计算区域进行网格划分，这一部分的人工工作量在整个数值模拟过程中占有很大的比重，对计算结果的精度有很大的影响。

CFD求解器实现对控制方程的求解，需要完成湍流模型的选择，时间、空间离散格式的选择，收敛判据、边界条件的设置等，数值解算需要满足收敛判据，计算结果要具有准确性，若计算不收敛或结果与试验结果相差较大则需要回到前处理阶段对划分的网格进行调整，并分析求解器的各种设置是否合适，求解的结果在后处理器中得到显示。

后处理部分主要对求解器求得的结果进行分析，获取有用的信息并以矢量图、云图、流线图、曲线图等形式直观地对结果进行显示。

1 几何模型构建与网格划分

图 1给出了CFD方法对人椅系统进行数值模拟的流程图。

图 1 弹射人椅系统数值模拟流程

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人椅系统几何模型的构建与网格的划分对数值模拟的结果具有十分重要的影响。本文首先建立了人椅系统的高仿真度模型，如图 2所示。

图 2 人椅系统几何模型

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非结构混合网格具有较好的灵活性，没有结构网格节点之间的对应限制，可以根据流场特性更加合理地分布网格，在物面附近采用三棱柱单元模拟附面层，空间采用四面体单元进行填充，局部区域采用金字塔单元过渡。

对于人椅系统这样外形较为复杂的模型，在网格生成方面具有较大的优势^[7]。因此，本文采用非结构混合网格对计算区域进行划分，生成的外边界和人椅系统表面网格分布如图 3、4所示。

图 3 外边界网格分布

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图 4 人椅系统表面网格分布

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2 控制方程

三维控制方程为^[8]

3 湍流模型

SAS模型是对SST(shear-stress transport)模型的改进，它结合了雷诺平均N-S方程和大涡模拟的优点^{[9, 10]}。湍流强度和湍流频率由以下方程得到：

SAS模型和SSTk-ω模型的区别在于SAS模型中引入了与von Karman长度尺度L_vK的相关项Q_SAS：

通过von Karman长度尺度L_vK，SAS模型在稳定区域采用RANS方法，不稳定区域采用LES方法。SAS不存在显式的RANS-LES转换开关，稳态的RANS和非稳态的LES区域的过渡不依赖网格的形态，模型的长度尺度可以根据当地流动拓扑自动进行调整。

4 数值计算及结果分析

为了验证上述方法的有效性，本文将Re为12.3×10⁶，Ma为0.6，迎角α为-90°~90°带防护装备的人椅系统阻力系数的数值计算结果与风洞试验结果进行对比，如图 5所示。

图 5 数值模拟与风洞试验阻力系数对比

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从图 5可以看出，数值模拟得到的阻力系数和升力系数随迎角的变化趋势与风洞试验结果的变化趋势一致，而且吻合较好，各个条件下的阻力系数和升力系数误差均在5%以内，完全可以满足工程领域的应用，在研究航空弹射座椅气流吹袭防护技术方面有广阔的应用前景。存在的误差主要来自于以下几个方面：

1)模型引起的误差。在建立人椅系统模型时对人体和弹射座椅都进行了适当的简化，进行网格划分时曲面变化复杂的区域网格质量难以达到理想的质量，这些会给计算带来一定的误差。

2)数值计算方法存在的误差。数值计算是真实解的一个近似解，利用计算机进行计算把连续型的问题进行离散化，而且受到字节长度的限制，会对结果进行“四舍五入”等都会带来一定的误差。

3)风洞试验自身存在误差。风洞模拟的风场与弹射座椅空中弹射的流场不可能完全相同，风洞存在壁面效应，试验时座椅的支撑体会对流场产生影响等也会带来一定的误差。

飞行员弹射出舱后将受到气流的冲击作用，对身体造成损伤，为了对人体表面压力分布特点进行分析，采用SAS方法对无防护条件下的人椅系统进行数值模拟。图 6表示的是人椅系统迎角α=0°，Ma=1.4时的人椅系统表面压力云图。

图 6 人椅系统表面压力云图

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人椅系统表面压力云图中不同颜色代表着不同压力值，各种颜色对应的压力值可以从图例中看出。从图可以看出，人体表面的高压区分布在面颈部、胸部、腹部、四肢迎风面，头顶部的压力较小。飞行员头部与头靠接触区域附近压力值较大，上臂侧面的压力值较低，腿脚的侧面和后面压力值均比较低。

飞行员弹射出舱受到气流的冲击作用，在面颈部形成高压区域。气流冲击作用在面颈部，若无防护措施，会引起面颈部的压迫感。气流速度较大则会导致面颈部出现大范围的皮下渗血，会造成眼结膜出血，嘴角和眼角撕裂等。若气流从嘴中灌入肺里和胃里则可能对肺和胃造成损伤。头部与头靠接触区域压力较大，头部受到这一压力和出舱后气动阻力的共同作用可能造成头部与座椅头靠的相对运动，相对运动停止后，头部与座椅头靠碰撞可能造成颅脑损伤。此外，颈部压力大，头顶部的压力小，上下的压力差导致颈部承受较大的气动升力载荷，容易导致颈部的损伤。

人体胸部和腹部的压力较大，会造成胸腹部的压迫感。当气流速度较大时则有可能造成肋骨骨折和内脏损伤。胸腹部被气流压缩会导致胸部内压升高，血液被挤压流向头部引起头部的血压升高，严重时可能造成脑血管的破裂。

四肢迎风面压力大，侧面压力下，这种压力差会导致四肢受到较大的侧向力。在没有防护条件下，侧向力将四肢拉离弹射座椅引起甩打伤。

5 结束语

建立了高仿真度的人椅系统三维几何模型，生成的非结构混合网格质量较好，采用SAS方法对人椅系统进行数值模拟具有较高的精度，数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好，方法合理有效。计算流体力学方法应用于弹射救生领域有广阔的前景。