喬旭東，江建東，侯鑫新，姚賀龍

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

規(guī)則和復(fù)雜導(dǎo)管設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化復(fù)雜的和不規(guī)則管路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。

隨著機(jī)載設(shè)備日益復(fù)雜化、集成化，其冷卻問(wèn)題也隨之而來(lái)。環(huán)控系統(tǒng)作為機(jī)上主要的冷卻系統(tǒng)，需按照不同的機(jī)載設(shè)備冷卻要求，為其進(jìn)行冷卻。而空氣循環(huán)制冷作為主要的制冷方式廣泛應(yīng)用于各種型號(hào)的飛機(jī)上，環(huán)控系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)管將冷卻空氣供往不同的機(jī)載設(shè)備，以滿足其使用要求。管路在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于設(shè)備接口及安裝空間等限制，容易出現(xiàn)復(fù)雜的和不規(guī)則的管路結(jié)構(gòu)，無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算和工程計(jì)算來(lái)確定管路內(nèi)的流動(dòng)特性。該種形式的管路設(shè)計(jì)，大多采用設(shè)計(jì)與試驗(yàn)相互迭代的方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，而且生產(chǎn)成本高。本文主要介紹基于FLUENT的不

1 概述

雷達(dá)作為機(jī)載設(shè)備之一，環(huán)控系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)通風(fēng)子系統(tǒng)為其冷卻，以改善雷達(dá)工作環(huán)境，保證其可靠性及使用壽命。某型飛機(jī)雷達(dá)通風(fēng)采取了利用座艙排氣對(duì)雷達(dá)進(jìn)行通風(fēng)冷卻的技術(shù)，座艙排氣流量全部供往雷達(dá)用于其冷卻。供往雷達(dá)的通風(fēng)導(dǎo)管結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)要求雷達(dá)通風(fēng)子系統(tǒng)的供氣流量不小于300kg/h，且流阻不大于9kPa。

安裝該結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)管后，雷達(dá)通風(fēng)子系統(tǒng)的流阻無(wú)法滿足系統(tǒng)使用要求。通過(guò)分析得知，由于座艙排氣流量（600kg/h）全部供往雷達(dá)進(jìn)行通風(fēng)冷卻，雖然通風(fēng)流量滿足雷達(dá)冷卻要求，但由于供氣流量過(guò)大，雷達(dá)通風(fēng)子系統(tǒng)的流阻指標(biāo)無(wú)法滿足要求。

圖1 雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 未開孔雷達(dá)通風(fēng)管計(jì)算網(wǎng)格

降低雷達(dá)通風(fēng)子系統(tǒng)的流阻主要有如下三種方法：

1）優(yōu)化雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)；

2）優(yōu)化雷達(dá)端冷風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)；

3）減少通往雷達(dá)端的通風(fēng)流量。

由于雷達(dá)本身的設(shè)計(jì)限制，自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化比較困難。此外，雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管受限于機(jī)頭段的結(jié)構(gòu)形式以及空間布局，無(wú)法對(duì)管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，因此，通過(guò)優(yōu)化雷達(dá)冷風(fēng)道和雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)形式來(lái)降低流阻的方法難以實(shí)現(xiàn)，只能通過(guò)減少供往雷達(dá)的空氣流量的方法實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)布局，采用在雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管上增開一圓孔，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整圓孔的位置及直徑、排出部分空氣的方式，減少供往雷達(dá)的空氣量，以達(dá)到降低系統(tǒng)流阻的目的。該方法可行性高，但由于雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管形狀不規(guī)則，無(wú)法對(duì)其流阻特性進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，傳統(tǒng)辦法只能在雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管上先初步確定位置，然后通過(guò)試驗(yàn)確定開孔大小，中間需多次調(diào)整開孔尺寸，最終確定雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管的開孔大小。而通過(guò)FLUENT對(duì)雷達(dá)通風(fēng)管進(jìn)行仿真計(jì)算，則可以有效縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期，避免了重復(fù)性試驗(yàn)。

2 仿真分析與計(jì)算

2.1 開孔位置分析

通過(guò)計(jì)算先確定管路中流阻的分布情況，再根據(jù)流阻的分布，確定開孔位置。計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

湍流模型：計(jì)算采用Fluent分離隱式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，選用標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型加標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；密度、動(dòng)量、湍流動(dòng)能以及能量等模型的離散格式均為二階迎風(fēng)。解收斂的標(biāo)準(zhǔn)是各項(xiàng)殘差精度均小于10-4，殘差曲線趨于平直。計(jì)算狀態(tài)與表1中狀態(tài)相同。壓力云圖如圖3所示。

圖3 未開孔情況下雷達(dá)通風(fēng)管壓力云圖

計(jì)算結(jié)果表明，雷達(dá)管流阻主要集中于收縮段（圖3中顏色變化區(qū)域），所以開孔位置應(yīng)避開此區(qū)域，選在流阻變化緩和、開口位置與入口壓差小的區(qū)域，可盡量減小系統(tǒng)管路流阻。結(jié)合管路結(jié)構(gòu)上的安裝和開孔的難易程度，開孔位置定在雷達(dá)通風(fēng)管平直段內(nèi)側(cè)區(qū)域，具體如圖4所示。

圖4 通風(fēng)管開孔區(qū)域示意圖

2.2 開孔尺寸迭代

仿真計(jì)算時(shí)，假定開孔尺寸初始值為35mm，結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)開孔尺寸進(jìn)行迭代優(yōu)化計(jì)算。

1）雷達(dá)飛機(jī)通風(fēng)管結(jié)構(gòu)如圖1所示，計(jì)算狀態(tài)參數(shù)如下。

地面狀態(tài)下，P地面=101kPa；G入口=800kg/h；P入口=113kPa；T供氣=10℃；P出口=108kPa；

開孔后供氣導(dǎo)管模型如圖5所示。

圖5 開孔后通風(fēng)管模型

根據(jù)開孔的雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型采用非結(jié)構(gòu)化局部加密的四面體網(wǎng)格，共計(jì)598187個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 通風(fēng)導(dǎo)管網(wǎng)格模型

計(jì)算采用Fluent分離隱式求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，選用標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型加標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，密度、動(dòng)量、湍流動(dòng)能以及能量等模型的離散格式均為二階迎風(fēng)。解收斂的標(biāo)準(zhǔn)是各項(xiàng)殘差精度均小于10-4、殘差曲線趨于平直（見(jiàn)圖7）。

圖7 計(jì)算結(jié)果殘差圖

2）邊界條件：

計(jì)算域邊界條件設(shè)置：入口為流量入口，出口及開孔均為壓力出口，管路表面為恒壁溫、無(wú)滑移條件。

進(jìn)口總壓：112580Pa；

進(jìn)口溫度：282.6K；

開孔總壓：102540Pa；

開孔溫度：282.6K；

出口壓力：108420Pa；

出口溫度：282.6K；

固體材料：鋁，粗糙度：0.5um；

流體：空氣，理想氣體狀態(tài)。

3）仿真計(jì)算結(jié)果：

出口流量：336.56kg/h；出口壓力：108250Pa；開孔處流量：463.44kg/h；開孔處壓力：102500Pa。

雷達(dá)通風(fēng)管上開直徑D=41mm的孔后，座艙排氣流量800kg/h條件下，雷達(dá)通風(fēng)流量為336.56kg/h，壓力為102570Pa（見(jiàn)圖8），開孔處流量463.44kg/h。雷達(dá)通風(fēng)子系統(tǒng)的通風(fēng)流量與流阻均滿足系統(tǒng)要求。

圖8 供氣導(dǎo)管開孔后壓力云圖

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)仿真計(jì)算，在雷達(dá)通風(fēng)導(dǎo)管開孔區(qū)域開出直徑D=41mm的圓孔，能夠滿足雷達(dá)供氣流量要求。按照仿真結(jié)果對(duì)雷達(dá)通風(fēng)管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，按照仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行開孔后，流量滿足雷達(dá)通風(fēng)需求的條件下，雷達(dá)通風(fēng)管流阻不大于9kPa的使用要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 雷達(dá)通風(fēng)阻力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)一覽表 P大氣壓=102.57kPa

2.4 對(duì)比分析

仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)基本相符，仿真計(jì)算結(jié)果為336.56kg/h，試驗(yàn)流量為331.1kg/h，誤差為1.65%。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本相同，且系統(tǒng)總流阻為8.11kPa，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

在環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)形狀不規(guī)則和結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的導(dǎo)管，可以基于FLUENT進(jìn)行輔助計(jì)算，可以提高設(shè)計(jì)效率并節(jié)約生產(chǎn)成本。