民機沖壓空氣系統流動特性仿真研究

航發設計

2022年12月9日 10:47

思維導圖

研究背景

沖壓空氣系統是民用飛機的重要組成部分，其功能是為飛機空調系統、輔助冷卻系統和惰化系統提供廉價冷源空氣，保障飛機座艙溫度調節、廚房餐車冷卻、燃油箱防爆等功能的正常運行。隨著民用飛機載客能力的不斷提高，飛機體積及內部各系統越來越龐大，所包括的輻射面積、人員和設備發熱量持續提升，導致沖壓空氣系統重量、尺寸也越來越大。這不但會占據飛機寶貴的安裝空間、增大飛機燃油損耗，同時沖壓空氣蒙皮開口尺寸增大也會進一步增加飛機的氣動阻力，降低飛機運營的經濟性。

可見，舒適性要求和經濟性要求之間的矛盾已成為民用飛機沖壓空氣系統設計的重大挑戰。目前民機多采用集成式設計技術，將沖壓空氣的各用戶集成在一套流道中，實現能源綜合利用。為了保障各系統的正常運行且進一步降低飛機能耗，需要針對沖壓空氣系統氣動特性進行仿真研究，獲得冷源空氣在流道內的分配特性與流阻特性。

本文為了獲得沖壓空氣系統的整體性能，通過建立沖壓空氣系統內部件計算模型，研究沖壓空氣全流道氣動特性，為后續民機沖壓空氣系統以及空調系統的設計提供理論支持。

沖壓空氣系統簡介

沖壓空氣系統的作用是為空調系統、輔助冷卻系統和空氣準備系統提供冷源。

空調系統中的初級換熱器和次級換熱器、輔助冷卻系統中的換熱器和空氣準備系統中的初級換熱器和次級換熱器均布置于沖壓空氣流道中，需要通過具有低溫度的沖壓空氣帶走這些系統產生的熱量，保障系統安全運行。

對于某民用飛機，沖壓空氣系統的工作原理與運行工況有關，地面工況通過ACM風扇將機外空氣吸入沖壓空氣管道并流經各用戶系統換熱器帶走熱量,空中工況通過飛機前進運動使機外空氣進入沖壓空氣管道并流經各用戶系統換熱器帶走熱量，沖壓空氣系統架構如圖所示。

某飛機沖壓空氣系統架構示意圖

仿真計算方法

幾何模型前處理

沖壓空氣系統既受外界大氣環境的直接影響，又受系統內部各子用戶復雜部件的影響，因此在針對沖壓空氣內流道仿真過程中應同時考慮飛機內外流場的耦合作用。本文在幾何模型前處理中分別針對飛機外流場和沖壓空氣內部流道和部件建立了幾何模型，并完成了幾何模型中細小碎面的修補，創建了同時具有飛機外部流場和沖壓空氣內部結構的計算域。其中整體飛機計算域如圖所示。

整體飛機計算域

沖壓空氣內部流道幾何結構如下圖所示。其中沖壓空氣內部流道除了管道件之外，還包括了換熱器部件和風扇部件。

沖壓空氣內部流道幾何結構

網格劃分與邊界條件設置

仿真計算采用結構網格和非結構網格相結合的方式，并對飛機外流場和沖壓空氣內部流道采用不同的網格尺度進行劃分，網格數量總計約684萬。由于沖壓空氣全流道計算包括了飛機外流場和內流道部分，因此邊界條件設置需要同時考慮這兩方面的物理條件。具體計算邊界條件、計算工況如下表所示。

邊界條件

計算工況

數值計算模型

計算結果與分析

空氣流動壓力分布結果

空中巡航狀態下機身外表面壓力分布如圖所示，其中沖壓空氣內流道壓力分布下圖所示。根據仿真計算結果可知，空中巡航狀態下機身外部的機頭以及機翼前端直接與來流高速氣流接觸，導致局部壓力較高；沖壓空氣內流道部分高速氣流流經換熱器區域之后，壓力明顯下降，表明壓力損失主要集中在換熱器區域。

空中巡航狀態下機身壓力分布圖

空中狀態沖壓空氣內流道壓力分布圖

地面狀態下風扇處局部壓力分布如下圖所示。根據仿真結果可知，在地面狀態下，風扇為驅動沖壓空氣流動的動力源，風扇區域的整體壓力分布均勻，沖壓空氣流經沖壓腔內的風扇區域后，由于風扇的作用，空氣壓力有一定程度的上升。基于上述計算結果可以獲得沖壓空氣流道內的壓力分布，并計算得出整個沖壓空氣流道的阻力值，用于全機能耗評估。

地面狀態下風扇處局部壓力分布圖

流量分配仿真計算結果

不同飛行階段下各換熱器的流量分配結果如下圖所示。由于空調系統初級和次級換熱器同處一個流道且截面積相同，同時空氣準備系統初級換熱器和次級換熱器也同處一個流道且截面積相同，因此空調系統初級換熱器與次級換熱器通過的流量一致，空氣準備系統初級換熱器與次級換熱器通過的流量也一致。根據計算得出的流經不同換熱器的沖壓空氣流量，對比各系統換熱器散熱量要求，可以得出目前沖壓空氣流道設計可以滿足各用戶系統的需求。