民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)流量仿真計算

吳 丹 / WU Dan(上海飛機設計研究院，上海 201210)(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)流量仿真計算

吳 丹 / WU Dan
(上海飛機設計研究院，上海 201210)
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

以某型民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，考察了從再循環(huán)系統(tǒng)到貨艙和混合腔的流量分配。采用Flowmaster軟件對再循環(huán)系統(tǒng)進行建模，對飛機在高空巡航和地面熱天兩種工況下的再循環(huán)系統(tǒng)流量分配進行了仿真計算。結果表明，該再循環(huán)系統(tǒng)的設計滿足下游用戶的流量需求。

再循環(huán)系統(tǒng)；流量；仿真計算

0 引言

本文以某型民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，考察了再循環(huán)系統(tǒng)流量進入貨艙和混合腔的流量是否滿足設計需求。采用flowmaster軟件對再循環(huán)系統(tǒng)進行建模，對飛機在高空巡航和地面熱天狀態(tài)下的再循環(huán)系統(tǒng)流量分配進行了仿真計算。

1 再循環(huán)系統(tǒng)簡介

典型的民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)一般由再循環(huán)過濾器、再循環(huán)風扇和再循環(huán)低壓管路組成?？团撆艢庖徊糠峙懦鰴C外，另一部分經(jīng)過再循環(huán)過濾器過濾后，經(jīng)再循環(huán)風扇抽吸進入混合腔，與來自制冷系統(tǒng)的新鮮空氣在混合腔中混合，實現(xiàn)循環(huán)利用[3]。再循環(huán)風扇下游，一部分再循環(huán)空氣進入混合腔，另一部分進入貨艙。如圖1所示。

通過查閱工程設計中再循環(huán)系統(tǒng)流量需求文件，可明確從再循環(huán)系統(tǒng)到混合腔和貨艙的流量需求。通過對再循環(huán)系統(tǒng)流量進行仿真計算，可知再循環(huán)系統(tǒng)的設計是否滿足流量需求。下文將對某型民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)流量進行仿真計算。

2 計算工具介紹

在流體力學研究中，仿真計算是一種重要的研究方法，相比于試驗，具有耗時短、成本低、易于實現(xiàn)等多種優(yōu)點，且仿真計算可以得到試驗中難以觀察到的的細節(jié)特性。Flowmaster是一種廣泛運用于航空航天、能源動力等行業(yè)的流體系統(tǒng)仿真分析軟件[4]，以其便捷的建模方式、精確的求解能力、高效的計算效率和圖形化的用戶交互界面而廣受歡迎。

與關注空間流動特性的CFD軟件不同，F(xiàn)lowmaster沒有復雜的網(wǎng)格劃分步驟，省卻了大量的建模時間且對計算機硬件要求較低；可通過對系統(tǒng)的各個元件進行建模仿真來了解整個系統(tǒng)的運行特性；同時，F(xiàn)lowmaster可以通過改變部件特性參數(shù)來監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況，因此可方便應用于系統(tǒng)評估和系統(tǒng)優(yōu)化設計。

Flowmaster 軟件包含了一系列模塊可用于各種各樣的系統(tǒng)管流計算。其中，單相模塊包括：

1)不可壓模塊主要用于液體及低壓氣態(tài)流體系統(tǒng)的計算。包括穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)分析、流體平衡分析、元件尺寸分析、部件耦合影響分析及傳熱分析。這個模塊的典型應用包括管網(wǎng)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)特性曲線計算、氣體擴散分析等；

綜合上述觀點，對混合式教學和企業(yè)納稅實務的分析，本研究提出會計專業(yè)企業(yè)納稅實務“混合式教學”的教學流程如下，并做為本研究的假設。

2)可壓模塊主要用于氣體系統(tǒng)分析，包括穩(wěn)態(tài)分析及動態(tài)分析。這個模塊典型應用包括氣體供給分配系統(tǒng)、壓縮機系統(tǒng)等。

Flowmaster的航空模塊，可以對各種工況下的環(huán)控系統(tǒng)運行情況進行穩(wěn)態(tài)分析或瞬態(tài)分析，以了解部件的工作特性和系統(tǒng)的性能參數(shù)。對于再循環(huán)系統(tǒng)，管道內的流體介質為空氣，分析工況都為穩(wěn)態(tài)工況，因此選擇可壓穩(wěn)態(tài)分析模型。

3 建立計算模型

本文采用Flowmaster的航空模塊對再循環(huán)系統(tǒng)進行建模，將物理模型轉化為計算模型。Flowmaster常用的計算模型有Pipe(管道)、Bend(彎頭)、Transition(漸變管)、Orifice(節(jié)流元件)、Loss(阻力元件)、Source(流量源和壓力源)等。

對于再循環(huán)系統(tǒng)的建模，再循環(huán)過濾器可由阻力元件表示壓力損失；循環(huán)風扇的工作參數(shù)中僅有流量值和溫度值對再循環(huán)系統(tǒng)的出風口的流速和溫度有影響，因此計算時將循環(huán)風扇簡化為流量源，根據(jù)各工況條件設定代表循環(huán)風扇的流量源的流量值和溫度值；采用壓力源代表再循環(huán)系統(tǒng)到達混合腔和貨艙的接口處，根據(jù)各工況條件中的背壓值設定該壓力源的壓力值。

再循環(huán)系統(tǒng)的物理模型和計算模型對照表見表1。

表1 物理模型和計算模型對照表

按照上述建模原則，某型民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)建模結果如圖2所示。

4 確定再循環(huán)系統(tǒng)計算參數(shù)

采用Flowmaster 軟件建立空氣分配系統(tǒng)仿真模型的關鍵在于設定模型的輸入?yún)?shù)。對于圓管、彎管、縮放管路、分流管路、壓力和流量源、限流環(huán)等部件，F(xiàn)lowmaster 軟件有多種數(shù)學模型供選擇，且具備一定的工程數(shù)據(jù)支持[5]。此外，根據(jù)工程設計中再循環(huán)過濾器、再循環(huán)風扇和再循環(huán)系統(tǒng)低壓管路的設計規(guī)范及圖紙，可確定再循環(huán)系統(tǒng)流量仿真計算參數(shù)，各計算元件的參數(shù)種類見表2。

表2 再循環(huán)系統(tǒng)流量仿真計算參數(shù)表

對于本文計算的再循環(huán)系統(tǒng)，各部分參數(shù)設置如圖3所示。

5 確定計算工況、設置邊界條件

通過查閱再循環(huán)系統(tǒng)流量需求文件可以確定計算工況，據(jù)此設置再循環(huán)風扇的入口流量、溫度，貨艙和混合腔與再循環(huán)系統(tǒng)接口處的背壓，見表3。

表3 仿真計算工況

6 其他設置

為了使仿真計算得以進行，需要對實際情況進行合理的簡化，按照經(jīng)驗可進行以下假設：

1)再循環(huán)系統(tǒng)中的氣體為穩(wěn)定流動；

3)認為管路絕熱，不考慮管內流體和外界的換熱；

4)不考慮粘性散熱；

5)復材管路連接正確時，管路間袖套引起的壓力損失相對于整個管路的壓損可忽略不計；

6)考慮了貨艙加熱器和貨艙關斷活門的壓力損失。

7 結果與分析

計算參數(shù)、工況及邊界條件設置完成后，運行Flowmaster軟件，可得出上述兩種工況下從再循環(huán)系統(tǒng)進入混合腔、從再循環(huán)系統(tǒng)進入貨艙的流量和流速。具體計算結果見表4。

表4 計算結果

對仿真計算結果進行分析。從計算結果來看，在高空巡航和地面熱天兩種工況下，從再循環(huán)艙送到貨艙的空氣流量約為從再循環(huán)送到混合腔的空氣流量的15%左右；混合腔入口和貨艙入口的流速均小于15m/s，滿足設計要求；混合腔入口的出風速度小于貨艙通風口的出風速度，這是由于混合腔入口流動面積遠大于貨艙入口截面積。

通過對比流量設計需求可知，再循環(huán)系統(tǒng)的設計滿足貨艙和混合腔對于再循環(huán)系統(tǒng)的流量和流速要求。

8 結論

本文以某型民用飛機再循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，考察了從再循環(huán)系統(tǒng)到貨艙和混合腔的流量分配。采用flowmaster軟件對再循環(huán)系統(tǒng)進行建模，對飛機在巡航和地面狀態(tài)下的再循環(huán)系統(tǒng)流量分配進行了仿真計算。結果表明，該再循環(huán)系統(tǒng)的設計滿足貨艙和混合腔的流量和流速需求。

[1] 壽榮中,何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004.

[2] 王恒斌,張寶霖. 國外飛機環(huán)境控制系統(tǒng)手冊[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1986.

[3] 南國鵬,孫學德.再循環(huán)對飛機空調系統(tǒng)性能影響分析[J].民用飛機設計與研究, 2012(4):42-51.

[4] 張光鵬,許諾等.FLOWMASTER在暖通空調中的應用[J].制冷與空調,2006(3):34-38.

[5] 汪光文,楊智等. 民用飛機座艙空氣分配優(yōu)化設計與試驗驗證[J]. 民用飛機設計與研究,2015(4):54-57.

Flow Simulation of Recirculation System on Civil Aircraft

This thesis investigates into recirculation system of certain civil aircraft and its flow split into cargo compartment and mix manifold. The software Flowmaster was introduced to build up mathematical model, and simulation analysis was performed for cruise and ground hot-day cases. It turns out the design of the recirculation system satisfies flow requirement from its downstream users.

recirculation system; flow; simulation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.023

V216.5

A

吳 丹 女，工程師，主要研究方向：民用飛機客艙通風系統(tǒng)設計；E-mail:wudan@comac.cc