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]