民用飛機APU艙門蒙皮結構對排液的影響分析

包光宇

[摘要]機載輔助動力裝置（Auxiliary PowerUnit），簡稱APU，工作時可以為飛機提供電源和氣源。根據適航法規，民用飛機APU艙必須具備排液功能。某型飛機采用引射原理實現排液功能。本文通過對該型飛機APU艙排液區域進行CFD數值模擬計算，并對計算結果進行流場分析，研究APU艙門蒙皮結構對排液功能的影響。

[關鍵詞]APU艙；排液；模擬計算；流場分析；引射系數

0概述

機載輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit），簡稱APU，正常工作時可以為飛機提供電力和壓縮空氣。當飛機在地面準備起飛時，APU可以代替電瓶車為全機供電，并為空調系統和發動機起動提供氣源。當飛機發動機在空中停車時，APU可以在一定高度內為全機提供備用電源，并為發動機空中起動提供氣源。APU正常工作時由飛機燃油系統供油，因此APU艙可能由于泄漏等原因積存燃油液滴或蒸汽，所以必須具備排液功能，在APU工作期間將泄漏的燃油液滴或蒸汽及時排出機外，從而杜絕火災隱患。

本文將針對某型飛機的APU艙排液區域進行CFD模擬計算，分析APU艙排液區域蒙皮結構對排液功能的影響。

1APU艙排液功能介紹

1.1適航要求

根據CCAR25.1181《制定火區的范圍》，輔助動力裝置（APU）艙屬于飛機指定火區。按照CCAR 25.1187《火區的排液和通風要求》規定：“指定火區的每個部位必須能完全排放積存的油液，使容有可燃液體的任何組件失效或故障而引起的危險減至最小。”

綜上，根據適航規章要求，APU艙必須具備有效且可靠的排液功能。

1.2APU艙排液原理

飛機APU艙排液一般采用重力排液和引射排液相結合的方式。其中引射排液原理如圖1所示，高壓主流體通過噴嘴進入混合區域內，與低壓次流體混合，部分壓力能轉化為動能。當混合流體的靜壓降低到低于次流體總壓，就會對次流體產生抽吸引射作用。引射過程中，次流體和主流體質量流量的比值稱為引射系數，可以用于判斷引射作用的強弱。

某型飛機APU艙排液系統的高壓主流體來自于APU引氣，通過引射排液導管沿APU艙門排液接頭組件向機外排出，在局部形成負壓，將APU艙內可能存在的燃油液滴或蒸汽抽吸到飛機外的環境中，從而實現排液功能。

1.3APU艙排液結構

某型飛機采用APU尾錐常規布局，APU艙位于后機身尾錐段，APU裝置安裝在APU艙內，艙門向下開啟。APU艙排液結構如圖2所示，引射排液導管一端連接在APU引氣閥上，提供引射排液氣源。導管沿APU艙門布置并穿過APU艙內蒙皮上開孔，導管另一端伸入APU艙門上安裝的引射接頭結構，將APU引氣向機外噴出。

本文將針對APU艙門排液區域進行CFD模擬計算，來分析APU艙門內蒙皮結構對排液功能的影響。

2CFD模擬計算

2.1幾何模型與網格建立

二維幾何模型如圖3所示，主要結構包括APU艙引射排液導管、APU艙內蒙皮、APU艙門以及艙門上安裝的引射接頭組件，幾何參數采用某型飛機真實尺寸。

本文主要研究APU內蒙皮結構對引射排液的影響，選取內蒙皮開孔直徑分別為25mm，35mm，45mm和無內蒙皮4種結構，應用ICEM14.5軟件分別建立結構化網格，網格數145157，網格質量大于0.9。針對主流體過引射排液導管縮口和次流體過內蒙皮開孔及進入引射接頭區域網格進行加密，使近壁面流動計算更準確。

2.2邊界條件與計算方法

計算區域邊界條件如圖4所示，壓力進口的主流體總壓取APU引氣壓力。為405000Pa，壓力出口背壓為101325Pa，忽略由于APU排氣引起的APU艙內外壓差。流體為空氣，由于計算工況壓力較大且導管截面較小，流體流速較大，Ma>0.3，Material選擇real-gas-peng-robinson。計算方法選擇Coupled解算方法，該方法下計算資源的需求和網格數量線性增長，收斂更加穩定、快速。差分格式選擇QUICK格式，可以減少假擴散誤差，精度較高且較穩定，主要應用于結構化網格。

2.3結果分析

2.3.1速度場分析

4個算例的速度場分布如圖5所示，從圖中可以看出，高壓主流體通過引射排液導管沿引射接頭向機外高速射流。無內蒙皮結構時，APU艙內流體由于引射作用直接通過APU艙門引射接頭排出機外：有內蒙皮結構時，APU艙內流體先通過內蒙皮上開孔被抽吸到內蒙皮與APU艙門之間，并在一定范圍內呈渦旋狀流動，最終再由APU艙門引射接頭排出機外。內蒙皮開孔直徑越小，引射次流體在內蒙皮與APU艙門之間的速度梯度越大，流動越劇烈。

2.3.2壓力場分析

壓力分布如圖6所示，從圖中可以看出，內蒙皮上開孔越大，引射次流體靜壓力梯度越小，無內蒙皮時壓力梯度最小。這說明引射次流體在流過內蒙皮開孔時，由于結構間隙較小，流阻較大，能量損失較大，引射次流體在內蒙皮與APU艙門之間的渦旋流動也造成了一定的能量損失。

2.3.3引射系數分析

根據引射排液導管內主流體質量流量與APU艙門引射組件次流體質量流量計算得到引射系數，結果如圖7所示。從圖中可以看出，引射系數隨著內蒙皮開孔直徑增大而增大，沒有內蒙皮時引射系數最大，通過比較引射系數，內蒙皮開孔直徑為25mm與無內蒙皮工況相比，引射作用降低21.4%。

3結論

民用飛機APU艙一般通過引射排液的方式來排出APU艙內的可燃燃油液滴或蒸汽，APU艙門上的內蒙皮結構對引射排液功能有一定影響，本文對某型飛機APU排液系統結構進行合理簡化，建立排液系統網格模型并進行CFD模擬計算，通過比較計算結果分析不同內蒙皮結構對APU艙排液功能的影響。

根據本文的計算結果及分析，有以下主要結論：

1）引射排液可以實現APU艙排液功能。無內蒙皮結構時，APU艙內流體通過APU艙門引射接頭直接排出機外：有內蒙皮結構時，APU艙內流體先通過內蒙皮開}L進入內蒙皮與APU艙門之間，再通過APU艙門引射接頭排出機外。

2）增加內蒙皮結構會增大被引射次流體的能量損失，一方面由于流體流過開孔較小間隙時流阻增大，另一方面由于立體在內蒙皮與APU艙門之問產生渦旋。內蒙皮開孔越小，能量損失越大。

3）增加內蒙皮結構會減弱引射排液作用，內蒙皮上開孔越小，減弱越明顯。通過比較引射系數，內蒙皮開孔直徑為25mm與無內蒙皮工況相比，引射作用降低21.4%。

[責任編輯：楊玉潔]