民用飛機電子設備艙推力回收噴管計算分析

劉 牧 袁建新 / LIU Mu YUAN Jianxin

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

民用飛機電子設備艙推力回收噴管計算分析

劉 牧 袁建新 / LIU Mu YUAN Jianxin

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

介紹了某型民用飛機電子設備艙排氣系統(tǒng)主要組成，排氣系統(tǒng)推力回收噴管的工作原理和設計要求，并分別通過理論計算和CFD三維仿真模擬，驗證了該推力回收噴管的性能和關鍵設計尺寸。

電子設備艙；排氣系統(tǒng)；推力回收噴管

0 引言

隨著現(xiàn)代民用飛機技術不斷發(fā)展，各類機載系統(tǒng)如飛行控制、通信導航、綜合信息處理、駕駛艙顯示及客艙娛樂等的性能的不斷提高，其電子設備的熱功耗也相應越來越高。

根據(jù)ARINC600標準要求，民用飛機電子設備艙通風系統(tǒng)需要根據(jù)設備熱載荷向電子設備提供有效的通風量進行冷卻以保障電子設備的可靠性[1]，并通過排氣系統(tǒng)將電子設備散發(fā)的熱量排出機外。

1 某型民用飛機電子設備艙排氣系統(tǒng)介紹

本文的計算分析基于某型國產民用飛機，該飛機在飛行狀態(tài)時，電子設備艙排氣系統(tǒng)通過安裝在低壓管路和飛機蒙皮之間的推力回收噴管(thrust recovery nozzle，簡稱TRN)將廢氣排除機外，圖1為排氣系統(tǒng)推力回收噴管和其在飛機上的安裝示意，推力回收噴管的設計和性能計算是該飛機電子設備艙通風系統(tǒng)設計的重要內容之一。

該型民用飛機電子設備艙排氣系統(tǒng)位于飛機前部電子設備艙內，主要功能是將電子設備艙通風冷卻后產生的熱氣以及廚房盥洗室通風產生的廢氣一起排出機外。排氣系統(tǒng)主要由排氣風扇、低壓管路、排氣活門、推力回收噴管、單向活門和區(qū)域溫度傳感器等組成，圖2為該排氣系統(tǒng)的工作原理示意。

(a) 排氣系統(tǒng)推力回收噴管

(b) 排氣系統(tǒng)推力回收噴管安裝示意圖圖1 排氣系統(tǒng)推力回收噴管和其安裝示意

圖2 電子設備艙排氣系統(tǒng)工作原理

當飛機在地面或飛行高度小于設定值A0時，互為備份的兩個排風風扇交替工作，將廢氣通過低壓管路系統(tǒng)抽吸至位于電子設備艙的排氣活門處，通過排氣活門排出機外；當飛行高度大于設定值A0時，排風風扇和其下游的排氣活門關閉，與推力回收噴管相連接的排氣活門打開，廢氣在壓差作用下通過推力回收噴管排出機外；排氣系統(tǒng)通過安裝在電子設備艙內的區(qū)域溫度傳感器監(jiān)測電子設備艙環(huán)境溫度，并在艙內溫度超過設計值時發(fā)出告警信號。

2 推力回收噴管工作原理和設計輸入

該排氣系統(tǒng)推力回收噴管為一種漸縮式導流噴管，入口為4in法蘭，排氣氣流通過噴管加速后排出機外，同時產生推力。

在飛行狀態(tài)下，隨飛行高度上升，座艙內外壓差不斷增大，當飛行高度達到設定值A0時，排氣系統(tǒng)風扇停止工作，推力回收噴管上游排氣活門打開通過座艙內外壓差進行排氣，排氣氣流流速不斷增大直至臨界狀態(tài)達到音速后不再增加，此時至巡航狀態(tài)，排氣的體積流量達到最大值并保持恒定。

推力回收噴管的設計點為巡航狀態(tài)，噴管入口壓力為P1，入口溫度為T1，設計點的排氣質量流量Q0的確定需滿足以下條件：

(1) 排氣流量應滿足飛機廚房和盥洗室的排氣流量需求；

(2) 排氣系統(tǒng)應提供足夠的電子設備艙排氣流量以確保電子設備艙的環(huán)境溫度滿足設計要求，同時電子設備艙排氣流量應大于進氣流量以避免產生艙內空氣循環(huán)；

(3) 滿足飛機座艙壓力調節(jié)和排氣活門最小開啟角度要求。

根據(jù)以上條件確定推力回收噴管的設計點參數(shù)見表1，并以此作為推力回收噴管喉道尺寸的計算輸入。

表1 推力回收噴管的設計點參數(shù)

3 排氣系統(tǒng)推力回收噴管設計計算與仿真分析

本文首先采用計算流體力學中噴管的理論計算方法得到推力回收噴管喉道尺寸D0，然后根據(jù)TRN設計尺寸采用CFD三維仿真的方法對TRN在設計點的排氣過程進行仿真模擬，以驗證TRN設計值的正確性。

3.1 推力回收噴管理論計算

假設TRN 內部空氣為理想氣體，流動為定常絕熱等熵流，首先根據(jù)TRN入口參數(shù)計算滯止參數(shù)：

式中:R為理想氣體常數(shù)；ρ1為TRN入口空氣密度；D1為TRN入口直徑；v1為TRN入口氣流速度；T0為滯止溫度；cp為定壓比熱容；P0為滯止壓力；γ為等熵指數(shù)(取為1.4)。

計算得到滯止壓力P0為75 800 Pa，在TRN設計點巡航狀態(tài)，TRN出口外部大氣環(huán)境壓力Pamb為19 004 Pa，此時：

式中，Pcr為臨界壓力，臨界壓比為0.528 3。

因此，在設計點TRN喉道處流動達到臨界狀態(tài)，喉道氣流速度v0為當?shù)芈曀?，收縮噴管出口氣流臨界速度計算公式為[2]：

設計點TRN喉道直徑D0為：

式中，ρcr為臨界狀態(tài)密度；σ為推力回收噴管的流量系數(shù)，取為0.985。

根據(jù)以上計算過程代入TRN設計點參數(shù)和入口直徑、出口環(huán)境壓力等參數(shù)，得到TRN喉道設計尺寸為43.6mm。

3.2 推力回收噴管設計點三維仿真模擬

根據(jù)以上計算結果完成推力回收噴管的三維數(shù)模設計，如圖1(a)所示。

提取TRN三維數(shù)模內部曲面和進出口界面，在TRN出口處增加尺寸為1 200mm×600mm×400mm的外流場，導入到ANSYS中進行網格劃分。采用六面體結構網格，在TRN 進出口表面和近壁面等位置進行了網格加密處理，總網格單元數(shù)為938 550，總網格節(jié)點數(shù)為907 996。

帶外流場的TRN 仿真網格圖如圖3所示。

圖3 帶外流場的TRN 仿真網格圖

假設TRN內流體為理想狀態(tài)空氣，連續(xù)流體。傳熱模型采用總能模型。湍流模型采用BSL Reynolds Stress 模型。假設TRN內壁面光滑、無流動滑移，壁面絕熱。

此時飛機處于39 800 ft 巡航狀態(tài)，馬赫數(shù)為0.8，帶外流場的TRN數(shù)值仿真邊界條件見表2。

表2 帶外流場的TRN數(shù)值仿真邊界條件

經計算連續(xù)方程殘差小于2.8×10-6，動量方程殘差小于1.2×10-5，能量方程殘差小于1.7×10-5，認為計算結果收斂。通過TRN 的空氣質量流量為15.222kg/min，符合設計要求在該條件下排氣量(15.2kg/min)要求。

TRN及外部流場的對稱面速度云圖、溫度云圖和壓力云圖分別見圖4～圖6。

TRN三維仿真計算結果表明，采用計算得到的TRN喉道尺寸設計值，在設計點巡航狀態(tài)下TRN的排氣流量和設計目標值基本一致，TRN 內部流動達到臨界狀態(tài)。

圖4 TRN及外部流場的速度云圖

圖5 TRN及外部流場的溫度云圖

圖6 TRN及外部流場的壓力云圖

4 結論

本文介紹了某型民用飛機電子設備艙排氣系統(tǒng)的組成和工作原理、排氣系統(tǒng)推力回收噴管的設計輸入和性能參數(shù)，通過理論計算得到了該推力回收噴管的喉道直徑尺寸，并建立三維CFD仿真模型，通過數(shù)值仿真分析驗證了推力回收噴管設計的正確性，本文的計算分析為民用飛機電子設備艙排氣系統(tǒng)設計提供參考。

[1] Air Transport Avionics Equipment Interfaces Arinc Specification 600-19[S].2011，3(6)：32-37.

[2] 孔瓏.工程流體力學[M].第二版.北京：水利電力出版社，1992：178-188.

Calculation and Analysis of the Thrust Recovery Nozzle in Civil Aircraft Avionics Compartment

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This article introduces extraction system composition of avionics compartment for some civil aircraft, the operation principle for the thrust recovery nozzle in the extraction system and requirements of the performance and critical design.The thrust recovery nozzle was validated by theoretic calculation and 3D CFD simulation.

avionics compartment; extraction system; thrust recovery nozzle

V241

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.019

劉牧男，碩士，工程師，主要研究方向：民用飛機通風系統(tǒng)設計;E-mail: liumu@comac.cc

袁建新男，碩士，高級工程師，主要研究方向：民用飛機空調系統(tǒng)設計;E-mail: yuanjianxin@comac.cc