APU進氣系統流體計算方法研究

章葉川　郭玉杰　張強

[摘要]APU進氣系統流體計算研究是APU系統設計中的重要工作，本文主要從計算模型、CFD求解模型和計算結果分析三個方面，對APU進氣系統流體計算方法進行了研究，開展了對進氣系統結構的簡化、計算區域的確定、網格生成、邊界條件的定義、CFD求解方法，以及計算結果處理分析的研究工作，為APU進氣系統流體計算方法提供了理論參考。

[關鍵詞]APU；進氣系統；流體計算

0引言

APU進氣系統功能是將飛機外界氣流導人APU壓氣機中，提供APU各種條件下所需的空氣流量，并滿足APU入口處的壓力損失要求和盡可能小的進氣畸變要求，從而保障APU系統正常運轉。進氣系統的氣動設計不僅影響到APU本身的性能，同時也對飛機的整體氣動布局產生影響，而流體計算方法是APU進氣系統設計的核心技術，為APU進氣系統的改型、優化設計、及試驗提供理論指導，因此APU進氣系統的流體計算方法研究至關重要。

本文對APU進氣系統流體計算方法的研究結果進行了總結，主要內容包括進氣系統涉及的結構進行簡化、計算區域的確定、網格生成、邊界條件的定義、CFD求解方法，和流體計算結果分析。

1APU進氣系統的流體計算

進氣系統流體氣動計算方法研究的目的，在于從CFD角度開展APU進氣系統氣動性能研究，獲得APU進氣系統CFD計算的建模方法、CFD分析的基本方法以及對所得結果進行分析，為深入開展APU進氣系統的研究提供理論基礎。

1.1計算幾何模型簡化

在進氣系統的分析和設計中，進氣道形狀、進氣方式、進氣口形狀、進氣口在飛機上的位置，對APU進氣系統以及飛機氣動性能有最為直接和重要的作用，為了真實反映這些要素，采用的計算幾何模型的建立基于下列兩個基本原則：

（1）真實再現對APU進氣系統有重要影響的要素，例如進氣道形狀、進氣口位置、進氣風門的形狀，以及進氣口在機身上的位置等。

（2）保留了對流場特征有重要影響的幾何結構，簡化對流場計算沒有影響或影響很小的結構，

以某大型客機的APU進氣系統為例，經過初步簡化，得到如圖l所示的幾何實體模型，該模型包括下列部件：飛機后機身、進氣風門、APU進氣管道和冷卻管道。

1.2計算網格生成

計算網格品質的好壞將直接影響計算的效果，不好的網格甚至得出錯誤的結果，合適的網格不僅能得到正確的結果，還可以大大的縮短計算時間。

APU進氣系統流體計算分析的網格生成包含下列步驟：

（1）以帶進氣系統在內的中后機身為原始模型，將其CAD程序中導人。

（2）機身修整。從CAD程序中帶入的幾何圖案常常包含許多重復和不合理的線條與碎面，需要將重復線條去掉，小面融合構成較大的面，這樣才能成功地劃分網格。

（3）計算域的選取。網格生成中，需要確定流場的計算區域。取包圍機身在內的一個較大區域作為計算域，為了網格劃分的便利，采用了大圓柱形狀作為外部計算區域。進氣管道本身作為內流計算域部分。

（4）計算區域的分塊。由于含APU進氣系統的網格劃分比較復雜。FLUENT軟件包含的網格生成程序Gambit難以直接生成單塊網格，因此需要采用多塊網格。

（5）網格生成。各個分塊采用六面體結構化網格進行生成，在結構網格的生成中，考慮了相鄰分塊的網格一致性。

2CFD求解模型

2.1湍流模型設置

APU進氣系統的流動工況基本上是處于湍流流動狀態下。要反映湍流流場的真實情況，可采用平均N-S方程和湍流模型聯合求解，

APU進氣系統的計算采用最常用的標準k-e湍流模型。

2.2邊界條件設置

在數值計算中，計算域內的流動是由邊界條件驅動的。從某種意義上說，求解實際問題的過程，就是將邊界線或邊界面上的數據，外推擴展到計算域內部的過程。因此，提供符合物理實際且適定的邊界條件是極其重要的。在APU進氣系統研究中的邊界條件設置中，通常會設置4個不同類型的邊界面：自由來流的壓力遠場（pressure-far-field）、進氣道出口的壓力出口（pressure-outlet）、固體壁面（wall）和內部邊界（interior），如圖2。

2.3數值求解初始化

在CFD計算中，除了要給定邊界條件外，還需要給出流動區域內的所有流動變量的初值，即初始條件。初始條件一定是物理上合理的，否則，一個不合理的初始條件常常導致計算時間延長甚至不合理的計算結果。在APU進氣系統計算中，采用了外流的自由邊界條件（Pressure-far-field）進行初始化。

2.4收斂設置

由于含機身在內的APU進氣系統模型的復雜性，迭代開始時常常需要以較小的Courant數進行，開始將其設置為0.5，并且當迭代穩定之后加大到5。這樣需要迭代一段時間（如5000步）之后，更改Courant數并接著進行計算。當然也可以直接選取0.5或更小，但是需要迭代很長的時間。在迭代過程中，殘差可能收斂性能不令人滿意，此時可采用監視某些參數（如進氣道出口流量等）是否穩定，流場殘差是否變化穩定，再通過迭代步驟來終止計算。因為由于計算模型的復雜和網格品質的緣故，收斂可能很慢。

3流體計算結果及后處理

計算結束后，可以進行流場分析。分析用FLUENT自帶的后處理部分直接進行，也可以采用第三方軟件進行。

對于APU進氣系統計算，下列一些重要的流場參數需要處理出來。

1）進氣道出口截面參數。這包括出口流量、出口面總壓恢復系數、出口面矢量圖、馬赫數分布等。前兩個是工程設計時所需的進氣道性能參數，其他可以幫助了解進氣道的流動特征。

2）描述進氣口附近流動情況的參數分布。如靜壓分布，流線，速度矢量等。它們可用來分析唇口設計的情況。

3）描述風門左右的流動情況。包括速度矢量圖、壓力分布等。它們有助于分析風門設計的氣動特點。

4）中后機身的流動特征。如靜壓分布等。它們可以用來了解氣流對進氣系統的影響，以及進氣系統對飛機的影響等，

4總結

APU進氣系統工作研究是APU設計中的重要環節，掌握APU進氣流場參數的計算方法是APU進氣設計的關鍵技術。本文研究了APU進氣系統CFD分析的基本方法。研究獲得了下列主要結果：

1）研究了如何建立APU進氣系統的計算幾何模型。在充分分析了典型APU進氣系統的結構形式、特殊要求之后，簡化并確立了為開展進氣系統CFD分析所需的典型幾何模型。

2）確立了為進行進氣系統所需的CFD計算方法。包括計算區域的確定、網格生成、邊界條件的定義、以及CFD求解方法，它們構成了APU進氣系統CFD數值模擬的計算模型。

3）介紹了對于APU進氣系統流體計算結果的后期處理要點及設計影響。

[責任編輯：王偉平]