排氣活門安裝流場分析

李力濤

【摘 要】本文通過三維流場仿真模擬排氣活門在真實裝機狀態下，上方以及周圍有設備時對其流場環境的影響，并給出最小自由流通區域，用于指導飛機設計時活門的安裝布置。

【關鍵詞】排氣活門；三維流場仿真；自由流通區域

【Abstract】This document will simulate the flow stream of outflow valve base on the actual installation environmental.The simulation will have 3 condition：barrier above the valve，barrier above and left side on the valve and barrier above and around the valve.The minimum free flow space will be provided for guidance the valve installation.

【Key words】Outflow valve；3D flow simulation；Free flow space

0 序言

數字式座艙壓力控制系統是目前大型民航機上應用比較多的一種壓力控制系統，是在近三十年發展成熟起來的。數字式座艙壓力控制系統主要由四個系統組件構成： 控制面板、壓力控制器、排氣活門、安全活門。壓力控制器是壓力系統的計算和控制中心，為了保證冗余控制，壓力控制器一般設計成兩套，從而提高控制系統的可靠性[1]。排氣活門是系統的執行部件，用于控制座艙空氣向艙外的排放速率，以實現艙內壓力的規律性調節，同時具有推力恢復、雙向密封作用[2]。

出于控制精度問題以及安裝考慮，越來越多的大型飛機在設計時采用板閥作為排氣活門（活門形式如圖1所示）。目前國內對板閥研究較少，尤其是安裝布置方面的研究出于真空狀態。本文將通過三維流場仿真模擬活門在真實裝機狀態下周圍安裝設備對其流場環境的影響，并給出活門最小自由流通區域，用于指導今后大型商用飛機排氣活門安裝。

1 模型優化

在計算前，對幾何模型進行了簡化。在保留對流場產生主要影響的幾何形狀同時，去除次要的幾何體，以達到減小網格劃分難度的目的。在模型簡化過程中，去除了閥門的連桿、鉸鏈、電機箱表面的凸臺、加強筋及孔洞，去除閥門座表面的加強筋。對于電機箱的支架以及作為障礙物的有限大平板，由于這些幾何體一個方向向上的尺度遠遠小于其他兩個方向上的尺度，因此將其當作無厚度的平板進行處理。經過簡化后的幾何模型如圖2所示：

2 網格劃分

由于本計算中物體幾何結構復雜，本文采用四面體網格對流場區域進行劃分。在閥門附近用細小的四面體進行空間填充，網格尺寸不大于5mm；對于遠離物面的空間，網格尺寸逐漸增大。最大網格尺寸為50mm。

3 計算狀態及邊界條件

本計算的條件為飛機處于海平面靜止狀態，飛行高度為0公里，飛行速度為0。門閥處于全開狀態，門閥外大氣壓力取為101325帕，門閥內外壓差為101帕。

在本計算中，閥門內外壓差很小，閥門外大氣遠場流速為0，且處于海平面高度，因此可以判斷閥門周圍流場中空氣流速明顯小于0.3倍音速，空氣按照不可壓縮流體進行計算，同時忽略溫度對密度的影響，密度取為常值，為1.225kg/m3。參考壓力取為101325Pa。

對于入口條件，選取入口條件類型為壓力入口，總表壓取為101Pa。

對于出口條件，選取出口條件類型為壓力出口，靜表壓取為0Pa。

4 不同障礙物的位置對閥門流量影響的計算結果

在這里，考慮的障礙物位置包括閥的上方有障礙物、上方和左側有障礙物及前后左右和上側均有障礙物三種情況進行研究，并以擋板的形式代表障礙物。

4.1 周圍及上方沒有障礙物

對沒有障礙物影響的閥門流量進行計算，并將其作為參考。

流量：0.746kg/s

4.2 上方有無限大障礙物，前后左右均無障礙物，

1、上方障礙物高度300mm

流量：0.734kg/s

2、上方障礙物高度400mm

流量：0.741345kg/s

3、上方障礙物高度500mm

流量：0.746kg/s

4、上方障礙物高度600mm

流量：0.745kg/s

5、上方障礙物高度700mm

流量：0.745kg/s

小結：由此可以看出，當上方障礙物距排氣活門口大于400mm時，對活門流量產生影響可以忽略。

4.3 上方和左側有障礙物，其余方向沒有障礙物

1、上方高度300mm，左側距離300mm

流量：0.755kg/s

2、上方高度300mm，左側距離400mm

流量：0.735kg/s

3、上方高度500mm，左側距離200mm

流量：0.791kg/s

4、上方高度500mm，左側距離400mm

流量：0.760kg/s

小結：對于相同的上方障礙物高度，左側障礙物靠近閥門口有助于改善閥門流通性能。

4.4 前后左右均有障礙物.并與上方障礙物有一定間距：

1、間距50mm

流量：0.695kg/s

2、間距100mm

流量：0.783kg/s

3、間距200mm

流量：0.807kg/s

4、間距400mm

流量：0.814kg/s

5、間距無窮大

流量：0.811kg/s

小結：由此可以看出，四周障礙物與閥門上方障礙物高度上應當存在100mm以上的間距，以保證空氣流通。并且閥門四周均有一定高度的障礙物反而有助于改善全開狀態下的閥門的空氣的流通條件。

5 總結

通過上述結算結果可以看出，活門兩側的障礙物對活門流量影響較小，尤其活門左側的障礙物，在一定條件下靠近活門時會增加活門流量。活門上部障礙物對活門影響較大，在不考慮兩側障礙物影響時，活門上部其他設備安裝布置時應至少流出400mm的流通區域。

【參考文獻】

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[2]黨曉民，成杰，林麗.我國大型飛機環境控制系統研制展望[J].航空工程進展，2010，1（1）：43-45.

[責任編輯：湯靜]