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如今,越来越多的人乘飞机旅行。许多研究表明,空中旅行的不舒适以及感染的危险与客舱环境息息相关。在商用客机中,舒适和健康的客舱环境是由气流组织分布创建的。因此,这项研究的目的是研究客机座舱中气流组织的分布并进行进一步的设计,以确保安全的、健康的和舒适的客舱环境。为了实现上述目标,本研究进行了以下的研究:1)这项研究在MD-82真实客机的头等舱中通过实验测量研究了空舱和满员情况下机舱内的气流组织分布,并且进行了对比。本研究采用加热的人体模型模拟乘客。实验应用超声波风速仪(UA)和热电偶分别测量三维空气速度场和温度场。采用实验测量的速度场、温度场以及相应的送风口和壁面的边界条件,这项研究评价验证了三种湍流模型。2)采用验证的湍流模型,这项研究开发了基于计算流体力学(CFD)的伴随方法,用于封闭环境的逆向设计。该方法可以逆向确定送风口的位置、大小和送风参数。设计目标可以是局部的气流组织。本研究将该方法在OpenFOAM中实现并且采用文献中的实验数据进行了验证;最终应用基于CFD的伴随方法寻找客机座舱中最优的送风口位置、大小和送风参数,以达到设计所要求的热环境。3)为了加快逆向设计速度,本研究采用快速计算流体力学(FFD)求解纳维斯托克斯(NS)方程。这项研究在OpenFOAM中实现了FFD模型,使得FFD求解器适用于非结构化网格。由于FFD不能保证标量的守恒,本研究开发了用split scheme求解连续性方程和动量方程和iterative scheme求解标量方程的组合算法。通过文献中的实验数据,本研究验证了FFD的计算速度和精度。主要结论:(1)实验测量发现真实机舱中存在显著的纵向流动。送风的湍动能从送风口到乘客区域快速衰减。加热的人体模型产生的热羽流对流场湍流度的影响较小。满员的客舱中温度场存在分层现象;(2)湍流模型中,LES和DES能较为准确的预测流动,RNG k-ε模型的计算精度较差。由于LES和DES需要至少RNG k-ε模型20倍以上的计算时间,RNG k-ε模型最为适用;(3)基于CFD的伴随方法可以逆向确定最优送风参数或提高客机座舱的热舒适。使用不同的限制条件,该方法逆向求解得到的送风口位置、大小和送风参数存在差异。计算成本不随设计变量的数量变化;(4)FFD求解器采用结构和非结构网格可以得到相似的速度场和温度场,并且预测结果与实验数据一致。