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        民用飛機APU艙門蒙皮結(jié)構(gòu)對排液的影響分析

        2017-05-18 13:39:31包光宇
        科技視界 2016年19期
        關(guān)鍵詞:排液模擬計算

        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(jù)適航法規(guī),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(xiàn)排液功能。本文通過對該型飛機APU艙排液區(qū)域進行CFD數(shù)值模擬計算,并對計算結(jié)果進行流場分析,研究APU艙門蒙皮結(jié)構(gòu)對排液功能的影響。

        [關(guān)鍵詞]APU艙;排液;模擬計算;流場分析;引射系數(shù)

        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(diào)系統(tǒng)和發(fā)動機起動提供氣源。當飛機發(fā)動機在空中停車時,APU可以在一定高度內(nèi)為全機提供備用電源,并為發(fā)動機空中起動提供氣源。APU正常工作時由飛機燃油系統(tǒng)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(qū)域進行CFD模擬計算,分析APU艙排液區(qū)域蒙皮結(jié)構(gòu)對排液功能的影響。

        1APU艙排液功能介紹

        1.1適航要求

        根據(jù)CCAR25.1181《制定火區(qū)的范圍》,輔助動力裝置(APU)艙屬于飛機指定火區(qū)。按照CCAR 25.1187《火區(qū)的排液和通風要求》規(guī)定:“指定火區(qū)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?!?/p>

        綜上,根據(jù)適航規(guī)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(jié)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(qū)域內(nèi),與低壓次流體混合,部分壓力能轉(zhuǎn)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(chǎn)生抽吸引射作用。引射過程中,次流體和主流體質(zhì)量流量的比值稱為引射系數(shù),可以用于判斷引射作用的強弱。

        某型飛機APU艙排液系統(tǒng)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(nèi)可能存在的燃油液滴或蒸汽抽吸到飛機外的環(huán)境中,從而實現(xiàn)排液功能。

        1.3APU艙排液結(jié)構(gòu)

        某型飛機采用APU尾錐常規(guī)布局,APU艙位于后機身尾錐段,APU裝置安裝在APU艙內(nèi),艙門向下開啟。APU艙排液結(jié)構(gòu)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(nèi)蒙皮上開孔,導管另一端伸入APU艙門上安裝的引射接頭結(jié)構(gòu),將APU引氣向機外噴出。

        本文將針對APU艙門排液區(qū)域進行CFD模擬計算,來分析APU艙門內(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)對排液功能的影響。

        2CFD模擬計算

        2.1幾何模型與網(wǎng)格建立

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

        本文主要研究APU內(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)對引射排液的影響,選取內(nèi)蒙皮開孔直徑分別為25mm,35mm,45mm和無內(nèi)蒙皮4種結(jié)構(gòu),應用ICEM14.5軟件分別建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)145157,網(wǎng)格質(zhì)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(nèi)蒙皮開孔及進入引射接頭區(qū)域網(wǎng)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(qū)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(nèi)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(wǎng)格數(shù)量線性增長,收斂更加穩(wěn)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(wěn)定,主要應用于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

        2.3結(jié)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(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)時,APU艙內(nèi)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(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)時,APU艙內(nèi)流體先通過內(nèi)蒙皮上開孔被抽吸到內(nèi)蒙皮與APU艙門之間,并在一定范圍內(nèi)呈渦旋狀流動,最終再由APU艙門引射接頭排出機外。內(nèi)蒙皮開孔直徑越小,引射次流體在內(nèi)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(nèi)蒙皮上開孔越大,引射次流體靜壓力梯度越小,無內(nèi)蒙皮時壓力梯度最小。這說明引射次流體在流過內(nèi)蒙皮開孔時,由于結(jié)構(gòu)間隙較小,流阻較大,能量損失較大,引射次流體在內(nèi)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(shù)分析

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

        3結(jié)論

        民用飛機APU艙一般通過引射排液的方式來排出APU艙內(nèi)的可燃燃油液滴或蒸汽,APU艙門上的內(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)對引射排液功能有一定影響,本文對某型飛機APU排液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行合理簡化,建立排液系統(tǒng)網(wǎng)格模型并進行CFD模擬計算,通過比較計算結(jié)果分析不同內(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)對APU艙排液功能的影響。

        根據(jù)本文的計算結(jié)果及分析,有以下主要結(jié)論:

        1)引射排液可以實現(xiàn)APU艙排液功能。無內(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)時,APU艙內(nèi)流體通過APU艙門引射接頭直接排出機外:有內(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)時,APU艙內(nèi)流體先通過內(nèi)蒙皮開}L進入內(nèi)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(nèi)蒙皮結(jié)構(gòu)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(nèi)蒙皮與APU艙門之問產(chǎn)生渦旋。內(nèi)蒙皮開孔越小,能量損失越大。

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

        [責任編輯:楊玉潔]

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