民用飛機(jī)電子設(shè)備艙推力回收噴管計(jì)算分析

劉 牧 袁建新 / LIU Mu YUAN Jianxin

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

民用飛機(jī)電子設(shè)備艙推力回收噴管計(jì)算分析

劉 牧 袁建新 / LIU Mu YUAN Jianxin

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

介紹了某型民用飛機(jī)電子設(shè)備艙排氣系統(tǒng)主要組成，排氣系統(tǒng)推力回收噴管的工作原理和設(shè)計(jì)要求，并分別通過(guò)理論計(jì)算和CFD三維仿真模擬，驗(yàn)證了該推力回收噴管的性能和關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸。

電子設(shè)備艙；排氣系統(tǒng)；推力回收噴管

0 引言

隨著現(xiàn)代民用飛機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，各類機(jī)載系統(tǒng)如飛行控制、通信導(dǎo)航、綜合信息處理、駕駛艙顯示及客艙娛樂(lè)等的性能的不斷提高，其電子設(shè)備的熱功耗也相應(yīng)越來(lái)越高。

根據(jù)ARINC600標(biāo)準(zhǔn)要求，民用飛機(jī)電子設(shè)備艙通風(fēng)系統(tǒng)需要根據(jù)設(shè)備熱載荷向電子設(shè)備提供有效的通風(fēng)量進(jìn)行冷卻以保障電子設(shè)備的可靠性[1]，并通過(guò)排氣系統(tǒng)將電子設(shè)備散發(fā)的熱量排出機(jī)外。

1 某型民用飛機(jī)電子設(shè)備艙排氣系統(tǒng)介紹

本文的計(jì)算分析基于某型國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)，該飛機(jī)在飛行狀態(tài)時(shí)，電子設(shè)備艙排氣系統(tǒng)通過(guò)安裝在低壓管路和飛機(jī)蒙皮之間的推力回收噴管(thrust recovery nozzle，簡(jiǎn)稱TRN)將廢氣排除機(jī)外，圖1為排氣系統(tǒng)推力回收噴管和其在飛機(jī)上的安裝示意，推力回收噴管的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算是該飛機(jī)電子設(shè)備艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

該型民用飛機(jī)電子設(shè)備艙排氣系統(tǒng)位于飛機(jī)前部電子設(shè)備艙內(nèi)，主要功能是將電子設(shè)備艙通風(fēng)冷卻后產(chǎn)生的熱氣以及廚房盥洗室通風(fēng)產(chǎn)生的廢氣一起排出機(jī)外。排氣系統(tǒng)主要由排氣風(fēng)扇、低壓管路、排氣活門、推力回收噴管、單向活門和區(qū)域溫度傳感器等組成，圖2為該排氣系統(tǒng)的工作原理示意。

(a) 排氣系統(tǒng)推力回收噴管

(b) 排氣系統(tǒng)推力回收噴管安裝示意圖圖1 排氣系統(tǒng)推力回收噴管和其安裝示意

圖2 電子設(shè)備艙排氣系統(tǒng)工作原理

當(dāng)飛機(jī)在地面或飛行高度小于設(shè)定值A(chǔ)0時(shí)，互為備份的兩個(gè)排風(fēng)風(fēng)扇交替工作，將廢氣通過(guò)低壓管路系統(tǒng)抽吸至位于電子設(shè)備艙的排氣活門處，通過(guò)排氣活門排出機(jī)外；當(dāng)飛行高度大于設(shè)定值A(chǔ)0時(shí)，排風(fēng)風(fēng)扇和其下游的排氣活門關(guān)閉，與推力回收噴管相連接的排氣活門打開，廢氣在壓差作用下通過(guò)推力回收噴管排出機(jī)外；排氣系統(tǒng)通過(guò)安裝在電子設(shè)備艙內(nèi)的區(qū)域溫度傳感器監(jiān)測(cè)電子設(shè)備艙環(huán)境溫度，并在艙內(nèi)溫度超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。

2 推力回收噴管工作原理和設(shè)計(jì)輸入

該排氣系統(tǒng)推力回收噴管為一種漸縮式導(dǎo)流噴管，入口為4in法蘭，排氣氣流通過(guò)噴管加速后排出機(jī)外，同時(shí)產(chǎn)生推力。

在飛行狀態(tài)下，隨飛行高度上升，座艙內(nèi)外壓差不斷增大，當(dāng)飛行高度達(dá)到設(shè)定值A(chǔ)0時(shí)，排氣系統(tǒng)風(fēng)扇停止工作，推力回收噴管上游排氣活門打開通過(guò)座艙內(nèi)外壓差進(jìn)行排氣，排氣氣流流速不斷增大直至臨界狀態(tài)達(dá)到音速后不再增加，此時(shí)至巡航狀態(tài)，排氣的體積流量達(dá)到最大值并保持恒定。

推力回收噴管的設(shè)計(jì)點(diǎn)為巡航狀態(tài)，噴管入口壓力為P1，入口溫度為T1，設(shè)計(jì)點(diǎn)的排氣質(zhì)量流量Q0的確定需滿足以下條件：

(1) 排氣流量應(yīng)滿足飛機(jī)廚房和盥洗室的排氣流量需求；

(2) 排氣系統(tǒng)應(yīng)提供足夠的電子設(shè)備艙排氣流量以確保電子設(shè)備艙的環(huán)境溫度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)電子設(shè)備艙排氣流量應(yīng)大于進(jìn)氣流量以避免產(chǎn)生艙內(nèi)空氣循環(huán)；

(3) 滿足飛機(jī)座艙壓力調(diào)節(jié)和排氣活門最小開啟角度要求。

根據(jù)以上條件確定推力回收噴管的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)見表1，并以此作為推力回收噴管喉道尺寸的計(jì)算輸入。

表1 推力回收噴管的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)

3 排氣系統(tǒng)推力回收噴管設(shè)計(jì)計(jì)算與仿真分析

本文首先采用計(jì)算流體力學(xué)中噴管的理論計(jì)算方法得到推力回收噴管喉道尺寸D0，然后根據(jù)TRN設(shè)計(jì)尺寸采用CFD三維仿真的方法對(duì)TRN在設(shè)計(jì)點(diǎn)的排氣過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，以驗(yàn)證TRN設(shè)計(jì)值的正確性。

3.1 推力回收噴管理論計(jì)算

假設(shè)TRN 內(nèi)部空氣為理想氣體，流動(dòng)為定常絕熱等熵流，首先根據(jù)TRN入口參數(shù)計(jì)算滯止參數(shù)：

式中:R為理想氣體常數(shù)；ρ1為TRN入口空氣密度；D1為TRN入口直徑；v1為TRN入口氣流速度；T0為滯止溫度；cp為定壓比熱容；P0為滯止壓力；γ為等熵指數(shù)(取為1.4)。

計(jì)算得到滯止壓力P0為75 800 Pa，在TRN設(shè)計(jì)點(diǎn)巡航狀態(tài)，TRN出口外部大氣環(huán)境壓力Pamb為19 004 Pa，此時(shí)：

式中，Pcr為臨界壓力，臨界壓比為0.528 3。

因此，在設(shè)計(jì)點(diǎn)TRN喉道處流動(dòng)達(dá)到臨界狀態(tài)，喉道氣流速度v0為當(dāng)?shù)芈曀伲湛s噴管出口氣流臨界速度計(jì)算公式為[2]：

設(shè)計(jì)點(diǎn)TRN喉道直徑D0為：

式中，ρcr為臨界狀態(tài)密度；σ為推力回收噴管的流量系數(shù)，取為0.985。

根據(jù)以上計(jì)算過(guò)程代入TRN設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)和入口直徑、出口環(huán)境壓力等參數(shù)，得到TRN喉道設(shè)計(jì)尺寸為43.6mm。

3.2 推力回收噴管設(shè)計(jì)點(diǎn)三維仿真模擬

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果完成推力回收噴管的三維數(shù)模設(shè)計(jì)，如圖1(a)所示。

提取TRN三維數(shù)模內(nèi)部曲面和進(jìn)出口界面，在TRN出口處增加尺寸為1 200mm×600mm×400mm的外流場(chǎng)，導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在TRN 進(jìn)出口表面和近壁面等位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，總網(wǎng)格單元數(shù)為938 550，總網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為907 996。

帶外流場(chǎng)的TRN 仿真網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 帶外流場(chǎng)的TRN 仿真網(wǎng)格圖

假設(shè)TRN內(nèi)流體為理想狀態(tài)空氣，連續(xù)流體。傳熱模型采用總能模型。湍流模型采用BSL Reynolds Stress 模型。假設(shè)TRN內(nèi)壁面光滑、無(wú)流動(dòng)滑移，壁面絕熱。

此時(shí)飛機(jī)處于39 800 ft 巡航狀態(tài)，馬赫數(shù)為0.8，帶外流場(chǎng)的TRN數(shù)值仿真邊界條件見表2。

表2 帶外流場(chǎng)的TRN數(shù)值仿真邊界條件

經(jīng)計(jì)算連續(xù)方程殘差小于2.8×10-6，動(dòng)量方程殘差小于1.2×10-5，能量方程殘差小于1.7×10-5，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。通過(guò)TRN 的空氣質(zhì)量流量為15.222kg/min，符合設(shè)計(jì)要求在該條件下排氣量(15.2kg/min)要求。

TRN及外部流場(chǎng)的對(duì)稱面速度云圖、溫度云圖和壓力云圖分別見圖4～圖6。

TRN三維仿真計(jì)算結(jié)果表明，采用計(jì)算得到的TRN喉道尺寸設(shè)計(jì)值，在設(shè)計(jì)點(diǎn)巡航狀態(tài)下TRN的排氣流量和設(shè)計(jì)目標(biāo)值基本一致，TRN 內(nèi)部流動(dòng)達(dá)到臨界狀態(tài)。

圖4 TRN及外部流場(chǎng)的速度云圖

圖5 TRN及外部流場(chǎng)的溫度云圖

圖6 TRN及外部流場(chǎng)的壓力云圖

4 結(jié)論

本文介紹了某型民用飛機(jī)電子設(shè)備艙排氣系統(tǒng)的組成和工作原理、排氣系統(tǒng)推力回收噴管的設(shè)計(jì)輸入和性能參數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算得到了該推力回收噴管的喉道直徑尺寸，并建立三維CFD仿真模型，通過(guò)數(shù)值仿真分析驗(yàn)證了推力回收噴管設(shè)計(jì)的正確性，本文的計(jì)算分析為民用飛機(jī)電子設(shè)備艙排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

[1] Air Transport Avionics Equipment Interfaces Arinc Specification 600-19[S].2011，3(6)：32-37.

[2] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].第二版.北京：水利電力出版社，1992：178-188.

Calculation and Analysis of the Thrust Recovery Nozzle in Civil Aircraft Avionics Compartment

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This article introduces extraction system composition of avionics compartment for some civil aircraft, the operation principle for the thrust recovery nozzle in the extraction system and requirements of the performance and critical design.The thrust recovery nozzle was validated by theoretic calculation and 3D CFD simulation.

avionics compartment; extraction system; thrust recovery nozzle

V241

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.019

劉牧男，碩士，工程師，主要研究方向：民用飛機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì);E-mail: liumu@comac.cc

袁建新男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì);E-mail: yuanjianxin@comac.cc