民用飛機(jī)配平系統(tǒng)管路出口流場(chǎng)研究

高銘

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.019

摘 要：為了研究某型飛機(jī)配平系統(tǒng)管路出口的流場(chǎng)特性，并分析流場(chǎng)對(duì)管路的影響情況。利用FLUENT流體分析軟件對(duì)配平系統(tǒng)管路出口流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到管路內(nèi)部在冷天和熱天工況下的流場(chǎng)溫度分布圖。研究結(jié)果表明：在冷天和熱天兩種工況下，管路內(nèi)的流場(chǎng)都不會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生影響，且冷、熱空氣的混合效果較好，能快速的使管路內(nèi)部的空氣溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值。研究結(jié)果對(duì)民用飛機(jī)配平系統(tǒng)管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī) 配平系統(tǒng) 管路 流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（b）-0019-03

民用飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)內(nèi)的配平管路將從發(fā)動(dòng)機(jī)引來(lái)的熱空氣輸送到飛機(jī)空調(diào)主管內(nèi)，并與從制冷模塊傳來(lái)的冷空氣進(jìn)行混合，得到溫度合適的空氣，最終輸送給座艙。由于飛機(jī)內(nèi)部空間有限、結(jié)構(gòu)緊湊，并且為了使乘員具有較好的舒適感，必須使管路盡可能適應(yīng)飛機(jī)空間，且管路內(nèi)部空氣的溫度能快速混合到預(yù)設(shè)值。因此，有必要對(duì)配平管路出口，冷熱空氣混合的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，從而研究管路內(nèi)部的流程對(duì)管路的影響情況及溫度混合情況。該文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)配平管路出口處進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，在此基礎(chǔ)上研究分析冷天和熱天的極限情況下管路內(nèi)部的流程，為將來(lái)管路設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 物理模型描述

該文研究的模型物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模型由兩部分組成：主管和彎管。冷空氣從主管的右側(cè)管口進(jìn)入，流向座艙；彎管內(nèi)通過(guò)熱空氣，從下部管口進(jìn)入。冷熱空氣在彎管的出口處開(kāi)始進(jìn)行混合最終通向座艙，通向座艙的空氣溫度可通過(guò)手動(dòng)設(shè)定熱空氣的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于主管與彎管出口的中心線不在同一軸線上，因此采用三維計(jì)算模型。

圖1中主管的直徑為140 mm，主管材料為復(fù)合材料；彎管直徑24 mm，彎管材料為金屬。分別研究飛機(jī)配平系統(tǒng)在熱天和冷天兩種極限工作狀態(tài)。熱天工作時(shí)，冷空氣的溫度為3 ℃，壓力為0.3 bar，熱空氣的溫度為255 ℃，壓力為0.8 bar；冷天工作時(shí)，冷空氣的溫度和壓力與熱天一致，熱空氣溫度為186 ℃，壓力為0.8 bar。由于通向座艙的主管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，故只取混合空氣流過(guò)的第一段空調(diào)主管來(lái)進(jìn)行仿真，該段主管的長(zhǎng)度為2350 mm。

2 模型建立

基于模型的實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)，使用Gambit模塊建立仿真模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到模型如圖2所示。模型的網(wǎng)格采用Hex，單元類型為Cooper，共計(jì)44 652個(gè)網(wǎng)格單元，最小面積為2 843 735×10-6m2，最大面積為2 434 717×10-4m2，最小體積為2 878 805×10-5m3，最大體積為2 080 816×10-3m3。該模型中，設(shè)定主管冷空氣入口為壓力入口邊界，主管通向座艙口為壓力出口邊界，彎管熱空氣入口為壓力入口邊界，其余為壁面邊界條件。

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

使用Fluent對(duì)該模型進(jìn)行模擬計(jì)算。為了簡(jiǎn)化模型，忽略空氣濕度的影響。采用分離隱式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并啟用能量方程，得到仿真結(jié)果。仿真得到熱天和冷天管路內(nèi)部的溫度分布圖，并選取一通過(guò)管路中心線的截面，得到截面上的溫度分布圖，如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，在管路長(zhǎng)度方向上，距離熱空氣出口越遠(yuǎn)，冷熱空氣的混合越明顯，管路內(nèi)部的流場(chǎng)特性較好，無(wú)較大的擾流出現(xiàn)，且在主管管壁附近的氣體溫度沒(méi)有超過(guò)350 K，故熱天和冷天兩種極限情況下管路內(nèi)的氣體都不會(huì)對(duì)管壁的使用壽命產(chǎn)生影響。

選取彎管出口的軸線，得到該軸線上沿著空氣流動(dòng)方向上隨距離變化的溫度曲線，如圖5和圖6所示。從圖5和圖6中所示的曲線走勢(shì)中可以看出，0.75 m之前溫度的下降趨勢(shì)較緩慢，0.75～1.7 5m之間溫度下降明顯，超過(guò)1.75 m之后溫度的下降趨勢(shì)又變得緩和起來(lái)，直至混合空氣的溫度接近設(shè)定值。

對(duì)比圖5和圖6，可知熱天相對(duì)于冷天，同樣在流過(guò)0.75 m的情況下，熱天空氣溫度下降35 K，冷天下降13 K，熱天時(shí)的溫度下降更快。所以，目前飛機(jī)管路的設(shè)計(jì)合理，冷熱空氣混合效果好，對(duì)外界溫度的適應(yīng)性強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著民用飛機(jī)的不斷發(fā)展，飛機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)也在不斷地優(yōu)化，該文通過(guò)流體計(jì)算軟件對(duì)配平系統(tǒng)出口的流場(chǎng)進(jìn)行仿真是一種很高效且節(jié)約成本的方式。建立了配平系統(tǒng)出口管路的模型，對(duì)系統(tǒng)在冷天和熱天情況下管路內(nèi)部的溫度和流場(chǎng)特性進(jìn)行計(jì)算和分析。結(jié)果表面，當(dāng)前的管路構(gòu)型可以滿足各類極限情況下的工作需求，可以較快、較好地實(shí)現(xiàn)冷熱空氣的混合，并對(duì)將來(lái)的管路設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

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