輔助動力艙冷卻用排氣引射器性能快速評估方法

高鵬 王代軍 周紅 馬雙超

摘 要：在飛機輔助動力裝置系統(tǒng)研制過程中，只能通過試驗和計算流體力學（CFD）仿真方法對排氣引射器的引射性能進行評估，且評估效率低、研制成本高，故無法獲得任意工況下排氣引射器的引射性能。本文提出用速度系數比β參數來描述排氣引射器的引射性能，并建立了輔助動力艙冷卻用排氣引射器性能快速評估方法，通過CFD仿真分析對該方法的合理性和準確性進行了驗證，驗證結果表明，該方法可以快速、準確地評估各種地面工況下排氣引射器的主流出口靜壓和總壓、次流流量、次流出口總壓等參數，且計算精度保持在2.382%以內，滿足工程使用要求，大大提高了評估效率，具有較高工程應用價值。

關鍵詞：輔助動力裝置； 排氣引射器； 速度系數； 總壓損失； 引射性能

中圖分類號：V228.7 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.06.007

隨著新技術和新材料在航空領域的廣泛應用，航空發(fā)動機熱力循環(huán)溫度不斷增高，發(fā)動機性能和功質比得以大幅提高，同時也給飛機動力艙冷卻以及紅外隱身帶來新的挑戰(zhàn)。排氣引射器在實現動力艙冷卻的同時，又能減小飛機的紅外輻射[1-8]，故排氣引射器多被用于飛機動力艙以及輔助動力（APU）艙的通風冷卻。

針對波瓣形排氣引射器，目前國內外已經開展了大量的理論、試驗和數值仿真等研究工作[4-17]，并揭示了其引射機理及影響其引射性能的相關因素。在APU艙冷卻用排氣引射器的應用研究方面，文獻[18]～[20]在二維模型的基礎上研究了APU噴口位置和噴流速度對排氣引射器引射性能的影響。

APU噴口（主流出口）靜壓是APU性能評估的主要輸入參數之一，并直接影響APU性能計算精度；APU艙冷卻流量（次流流量）是評估APU艙溫度、滑油溫度和摻混氣流溫度的重要參數，也是滅火系統(tǒng)設計的重要輸入，上述參數只能通過試驗和計算流體力學（CFD）仿真方法獲得，由于試驗成本高，CFD仿真分析耗時長，故無法獲得任意工況下排氣引射器的引射性能數據。如何通過少數工況點下的試驗結果或CFD仿真分析結果，構建一種可快速、準確評估地面任意工況下排氣引射器引射性能的計算方法就成為APU系統(tǒng)設計亟須研究的重要內容。

為此，本文提出用速度系數比β參數來描述排氣引射器的引射性能，在此基礎上建立了APU艙冷卻用排氣引射器性能快速評估方法，并通過CFD仿真分析對該方法的合理性和準確性進行了驗證，驗證結果表明，該方法可以快速評估APU任意地面工況下排氣引射器的主流出口靜壓和總壓、次流流量、次流出口總壓等參數，且計算精度滿足工程使用要求，大大提高了評估效率，具有較高的工程應用價值。

1 評估方法 1.1 速度系數比

2 方法驗證

為了驗證本文評估方法的合理性和準確性，本文選用的是在MA700飛機APU系統(tǒng)三維模型的基礎上進行了簡化處理的計算模型（見圖2），其中，APU艙型面為MA700飛機尾椎型面，APU尾噴口（主流出口）半徑為120mm，APU排氣管等直段半徑為165mm。

計算模型的網格劃分利用ICEM CFD軟件的結構化網格進行劃分，在APU艙出口和主流出口位置區(qū)域進行了網格加密以保證計算精度，如圖3所示。

文獻[11]分別采用4種湍流模型對某波瓣混合器進行了CFD仿真分析，并與試驗結果進行了對比分析，分析表明Realizable k- ε湍流模型與試驗結果吻合最好，精度最高。所以本文在CFD仿真分析中采用Realizable k- ε湍流模型，主流進口采用流量進口+溫度邊界條件，進氣外場采用壓力進口+溫度邊界條件，排氣外場采用壓力出口+溫度邊界條件，壁面采用無滑移標準壁面邊界條件。為了提高計算精度，連續(xù)方程、能量方程、湍流動能方程以及湍流耗散率方程均采用二階迎風差分格式，流動和壓力耦合采用SIMPLE（semiimplicit method for pressure linked equations）算法。

2.1 典型工況下的CFD仿真分析

本文在選取典型工況時，僅改變主流流量，環(huán)境壓力和溫度以及主流溫度等其他條件均保持恒定，最終在2～12kg/s的主流流量范圍內選取6種典型工況，采用CFD仿真分析對6種典型工況下計算模型的引射性能進行了分析計算，結果見表1。

本文采用最小二乘法對表1中速度系數比β與主流速度系數λp進行擬合，獲得β與λp之間的函數關系為

2.2 評估方法驗證

2.2.1 驗證工況下的性能計算

為了盡可能得到不同環(huán)境條件和APU工況下本文評估方法的最大計算誤差，本文結合MA700飛機APU系統(tǒng)地面工作包線（環(huán)境高度：0～4.5km，溫度：-55℃～ISA+40℃），在1.2～8.4kg/s的主流流量范圍內，主流總溫在525～900K范圍內，組合選取了9種驗證工況，分別采用本文評估方法和CFD仿真分析對計算模型的引射性能進行計算，其中，本文評估方法的計算結果見表2；CFD仿真分析結果見表3。

2.2.2 評估方法可行性分析

本文根據表1和表3中相關CFD仿真分析結果，給出了典型工況和驗證工況下速度系數比β隨主流速度系數λp的變化圖（見圖4），引射比M隨主流流量mp的變化圖（見圖5），以及次流總壓損失σs隨次流速度系數λs的變化圖（見圖6）。圖4和圖5表明，與引射比M相比，速度系數比β分散性較小，能更真實地反映出不同環(huán)境條件下次流氣動參數隨主流氣動參數變化的規(guī)律。圖6表明，文獻[1]中的次流通風特性方程適用于APU艙冷卻用排氣引射器的次流總壓計算，本文僅用次流速度系數λs計算次流總壓損失σs以及用最小二乘法擬合兩者之間的函數關系是合理可行的，而且具有較高的精度，可滿足工程使用要求。

2.2.3 計算誤差分析

與9種驗證工況下的CFD仿真分析結果（見表3）相比，本文評估方法的計算誤差較小，相關參數的計算誤差如下：（1）主流出口靜壓絕對誤差不超過127.5Pa，相對誤差不超過0.133%（工況P2）；（2）主流出口總壓的絕對誤差不超過153.6Pa，相對誤差不超過0.174%（工況P6）；（3）次流流量的絕對誤差不超過0.0469kg/s，相對誤差不超過2.382%（工況P2）；（4）次流出口總壓的絕對誤差不超過254.4Pa，相對誤差不超過0.263%（工況P2）。

綜上，本文評估方法具有較高的計算精度，最大相對誤差不超過2.382%，可以用該方法替代CFD仿真方法評估整個APU系統(tǒng)地面工作包線范圍內的排氣引射器性能。

3 結論

本文提出了一種速度系數比β參數，建立了輔助動力艙冷卻用排氣引射器性能快速評估方法，并通過9種驗證工況下的CFD仿真分析對該方法的合理性和準確性進行了驗證，驗證結果表明，與引射比M相比，速度系數比β分散性較小，能真實地反映出不同環(huán)境條件下次流氣動參數隨主流氣動參數變化的規(guī)律；次流通風特性方程適用于APU艙冷卻用排氣引射器的次流總壓計算；本文評估方法具有較高的計算精度，最大相對誤差不超過2.382%，大大提高了評估效率，可用于整個APU系統(tǒng)地面工作包線范圍內排氣引射器引射性能的評估，具有較高的工程應用價值。

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Rapid Evaluation Method for Pumping Performance of Exhaust Ejector Used in APU Compartment Cooling

Gao Peng， Wang Daijun， Zhou Hong， Ma Shuangchao

AVIC The First Aircraft Institute， Xi’an 710089， China

Abstract： In the process of aircraft auxiliary power unit system design and development，only test method and CFD method could be used for getting the pumping performance of exhaust ejector， which needs mass time and costs. therefore， the pumping performance of exhaust ejector in all kinds of APU working conditions on the ground can not be getted. In this paper， the velocity coefficient ratio β is presented， and a rapid evaluation method for pumping performance of exhaust ejector used in APU compartment cooling is established. By comparing with CFD results， the contrastive result demonstrate that this method is correct and accurate. This method can evaluate pumping performance rapidly when APU works at all kinds of working conditions on the ground， such as the static pressure and total pressure of primary flow outlet， the secondary mass flow， and the total pressure of secondary flow outlet. This method can maintain evaluation accuracy within 2.382% to meet the engineering design requirements and improve evaluation efficiency greatly. It is significant for engineering applications.

Key Words： auxiliary power unit； exhaust ejector； velocity coefficient； total pressure loss； pumping performance