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(jī)狀態(tài)下，上方以及周圍有設(shè)備時對其流場環(huán)境的影響，并給出最小自由流通區(qū)域，用于指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計時活門的安裝布置。

【關(guān)鍵詞】排氣活門；三維流場仿真；自由流通區(qū)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(shù)字式座艙壓力控制系統(tǒng)是目前大型民航機(jī)上應(yīng)用比較多的一種壓力控制系統(tǒng)，是在近三十年發(fā)展成熟起來的。數(shù)字式座艙壓力控制系統(tǒng)主要由四個系統(tǒng)組件構(gòu)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(tǒng)的計算和控制中心，為了保證冗余控制，壓力控制器一般設(shè)計成兩套，從而提高控制系統(tǒng)的可靠性[1]。排氣活門是系統(tǒng)的執(zhí)行部件，用于控制座艙空氣向艙外的排放速率，以實現(xiàn)艙內(nèi)壓力的規(guī)律性調(diào)節(jié)，同時具有推力恢復(fù)、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(jī)在設(shè)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(nèi)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(tài)。本文將通過三維流場仿真模擬活門在真實裝機(jī)狀態(tài)下周圍安裝設(shè)備對其流場環(huán)境的影響，并給出活門最小自由流通區(qū)域，用于指導(dǎo)今后大型商用飛機(jī)排氣活門安裝。

1 模型優(yōu)化

在計算前，對幾何模型進(jìn)行了簡化。在保留對流場產(chǎn)生主要影響的幾何形狀同時，去除次要的幾何體，以達(dá)到減小網(wǎng)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(jī)箱表面的凸臺、加強(qiáng)筋及孔洞，去除閥門座表面的加強(qiáng)筋。對于電機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個方向上的尺度，因此將其當(dāng)作無厚度的平板進(jìn)行處理。經(jīng)過簡化后的幾何模型如圖2所示：

2 網(wǎng)格劃分

由于本計算中物體幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采用四面體網(wǎng)格對流場區(qū)域進(jìn)行劃分。在閥門附近用細(xì)小的四面體進(jìn)行空間填充，網(wǎng)格尺寸不大于5mm；對于遠(yuǎn)離物面的空間，網(wǎng)格尺寸逐漸增大。最大網(wǎng)格尺寸為50mm。

3 計算狀態(tài)及邊界條件

本計算的條件為飛機(jī)處于海平面靜止?fàn)顟B(tài)，飛行高度為0公里，飛行速度為0。門閥處于全開狀態(tài)，門閥外大氣壓力取為101325帕，門閥內(nèi)外壓差為101帕。

在本計算中，閥門內(nèi)外壓差很小，閥門外大氣遠(yuǎn)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(jìn)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(jié)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(cè)有障礙物及前后左右和上側(cè)均有障礙物三種情況進(jìn)行研究，并以擋板的形式代表障礙物。

4.1 周圍及上方?jīng)]有障礙物

對沒有障礙物影響的閥門流量進(jìn)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(jié)：由此可以看出，當(dāng)上方障礙物距排氣活門口大于400mm時，對活門流量產(chǎn)生影響可以忽略。

4.3 上方和左側(cè)有障礙物，其余方向沒有障礙物

1、上方高度300mm，左側(cè)距離300mm

流量：0.755kg/s

2、上方高度300mm，左側(cè)距離400mm

流量：0.735kg/s

3、上方高度500mm，左側(cè)距離200mm

流量：0.791kg/s

4、上方高度500mm，左側(cè)距離400mm

流量：0.760kg/s

小結(jié)：對于相同的上方障礙物高度，左側(cè)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(jié)：由此可以看出，四周障礙物與閥門上方障礙物高度上應(yīng)當(dāng)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(tài)下的閥門的空氣的流通條件。

5 總結(jié)

通過上述結(jié)算結(jié)果可以看出，活門兩側(cè)的障礙物對活門流量影響較小，尤其活門左側(cè)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(cè)障礙物影響時，活門上部其他設(shè)備安裝布置時應(yīng)至少流出400mm的流通區(qū)域。

【參考文獻(xiàn)】

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

[2]黨曉民，成杰，林麗.我國大型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)研制展望[J].航空工程進(jìn)展，2010，1（1）：43-45.

[責(zé)任編輯：湯靜]