高銘

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

摘 要：為了研究某型飛機配平系統(tǒng)管路出口的流場特性，并分析流場對管路的影響情況。利用FLUENT流體分析軟件對配平系統(tǒng)管路出口流場進行模擬，得到管路內部在冷天和熱天工況下的流場溫度分布圖。研究結果表明：在冷天和熱天兩種工況下，管路內的流場都不會對管壁產生影響，且冷、熱空氣的混合效果較好，能快速的使管路內部的空氣溫度達到預設值。研究結果對民用飛機配平系統(tǒng)管路的優(yōu)化設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：民用飛機 配平系統(tǒng) 管路 流場

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0019-03

民用飛機的環(huán)境控制系統(tǒng)內的配平管路將從發(fā)動機引來的熱空氣輸送到飛機空調主管內，并與從制冷模塊傳來的冷空氣進行混合，得到溫度合適的空氣，最終輸送給座艙。由于飛機內部空間有限、結構緊湊，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飛機空間，且管路內部空氣的溫度能快速混合到預設值。因此，有必要對配平管路出口，冷熱空氣混合的內部流場進行分析，從而研究管路內部的流程對管路的影響情況及溫度混合情況。該文應用Fluent軟件對配平管路出口處進行流場數值計算，在此基礎上研究分析冷天和熱天的極限情況下管路內部的流程，為將來管路設計和優(yōu)化提供依據。

1 物理模型描述

該文研究的模型物理結構如圖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管口進入，流向座艙；彎管內通過熱空氣，從下部管口進入。冷熱空氣在彎管的出口處開始進行混合最終通向座艙，通向座艙的空氣溫度可通過手動設定熱空氣的流量來實現。由于主管與彎管出口的中心線不在同一軸線上，因此采用三維計算模型。

圖1中主管的直徑為140 mm，主管材料為復合材料；彎管直徑24 mm，彎管材料為金屬。分別研究飛機配平系統(tǒng)在熱天和冷天兩種極限工作狀態(tài)。熱天工作時，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，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度較長，故只取混合空氣流過的第一段空調主管來進行仿真，該段主管的長度為2350 mm。

2 模型建立

基于模型的實際尺寸數據，使用Gambit模塊建立仿真模型并進行網格劃分，得到模型如圖2所示。模型的網格采用Hex，單元類型為Cooper，共計44 652個網格單元，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 數值模擬與結果分析

使用Fluent對該模型進行模擬計算。為了簡化模型，忽略空氣濕度的影響。采用分離隱式求解器進行穩(wěn)態(tài)計算，并啟用能量方程，得到仿真結果。仿真得到熱天和冷天管路內部的溫度分布圖，并選取一通過管路中心線的截面，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，在管路長度方向上，距離熱空氣出口越遠，冷熱空氣的混合越明顯，管路內部的流場特性較好，無較大的擾流出現，且在主管管壁附近的氣體溫度沒有超過350 K，故熱天和冷天兩種極限情況下管路內的氣體都不會對管壁的使用壽命產生影響。

選取彎管出口的軸線，得到該軸線上沿著空氣流動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中所示的曲線走勢中可以看出，0.75 m之前溫度的下降趨勢較緩慢，0.75～1.7 5m之間溫度下降明顯，超過1.75 m之后溫度的下降趨勢又變得緩和起來，直至混合空氣的溫度接近設定值。

對比圖5和圖6，可知熱天相對于冷天，同樣在流過0.75 m的情況下，熱天空氣溫度下降35 K，冷天下降13 K，熱天時的溫度下降更快。所以，目前飛機管路的設計合理，冷熱空氣混合效果好，對外界溫度的適應性強。

4 結語

隨著民用飛機的不斷發(fā)展，飛機的環(huán)境控制系統(tǒng)也在不斷地優(yōu)化，該文通過流體計算軟件對配平系統(tǒng)出口的流場進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，對系統(tǒng)在冷天和熱天情況下管路內部的溫度和流場特性進行計算和分析。結果表面，當前的管路構型可以滿足各類極限情況下的工作需求，可以較快、較好地實現冷熱空氣的混合，并對將來的管路設計優(yōu)化具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] 李進良.精通FLUENT 6.3流場分析[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[2] 朱紅鈞.FLUENT 15.0流場分析實戰(zhàn)指南[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[2] 肖益民.Y型喉管流場分析及結構優(yōu)化[J].計算機仿真，2015，32（5）：270-274.

[3] 王連江，趙竟全.飛機座艙溫度場數值仿真研究[J].計算機仿真，2008，25（5）：44-46.

[4] 任重遠.基于Fluent的復雜流場飛機空氣混合器分析[J].中國新技術新產品，2010（24）：19-20.

[5] 熊佳.基于FLUENT的磨料水射流噴嘴內流場的可視化研究[J].潤滑與密封，2008，33（6）：51-53.