民用飛機(jī)尾艙溫度場仿真模擬

肖占　簡夕忠

【摘 要】本文提供了基于三維模擬軟件CFdesign軟件進(jìn)行的民用飛機(jī)尾艙的溫度場仿真模擬，計(jì)算了極熱天環(huán)境下高原地面和巡航兩種工況的尾艙溫度場，獲取了尾艙內(nèi)部溫度場分布和EMP周圍環(huán)境溫度，并分析了尾艙內(nèi)部和EMP周圍的環(huán)境溫度是否符合要求，為尾艙設(shè)備優(yōu)化布置提供參考。本文介紹了民用飛機(jī)尾艙溫度場仿真模擬計(jì)算方法，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析討論，可以為民用飛機(jī)尾艙設(shè)計(jì)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；尾艙；溫度場模擬

0 引言

民用飛機(jī)的尾艙，一般為非氣密、非溫控封閉艙段，存在較多的發(fā)熱設(shè)備，部分設(shè)備熱載荷在千瓦級(jí)，如液壓系統(tǒng)的電動(dòng)泵EMP和輔助動(dòng)力系統(tǒng)APU引氣管，總熱載荷近5kW。其中EMP是液壓能源系統(tǒng)的主要元器件之一，其合理的工作環(huán)境溫度是正常工作的必要條件。EMP最大環(huán)境溫度（本文中認(rèn)為EMP環(huán)境溫度為其附近70mm處環(huán)境溫度）要求為：周圍環(huán)境溫度不超過最大環(huán)境溫度70℃，其中高原狀態(tài)最大環(huán)境溫度為60℃，巡航狀態(tài)最大環(huán)境溫度為32℃。

1 物理模型

根據(jù)尾艙和內(nèi)部設(shè)備的實(shí)際模型的大小和坐標(biāo)位置，利用等效表面積法進(jìn)行相應(yīng)簡化，其中液壓管路根據(jù)其布置匯聚情況簡化為7段半徑30mm的圓柱，EMP簡化為大小不同的兩個(gè)圓柱組合體，油箱簡化為單個(gè)圓柱，飛控發(fā)熱設(shè)備簡化為立方體等，數(shù)模簡化后尾艙及其內(nèi)部設(shè)備模型如圖1。尾艙四周艙壁均考慮了其本身的厚度影響，在計(jì)算中包含了尾艙內(nèi)部空氣與四周艙壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算，即傳熱的流固耦合計(jì)算。

計(jì)算網(wǎng)格由CFdesign軟件自動(dòng)劃分并在各設(shè)備處加密，網(wǎng)格數(shù)量為513萬。

2 計(jì)算方法及邊界條件

計(jì)算中考慮了自然對(duì)流、輻射以及EMP風(fēng)扇強(qiáng)迫對(duì)流（計(jì)算以排氣方式體現(xiàn)，EMP尾部排出高溫氣體，前部進(jìn)氣，如圖1所示）[1]；僅分析與EMP尾部排氣溫度、排氣流量一致的發(fā)熱體對(duì)尾艙環(huán)境溫度的影響；邊界條件：進(jìn)口流量溫度，出口靜壓；

極熱天環(huán)境下的高原地面和巡航兩種工況條件[2]：

（1）高原地面：高度：14500ft，溫度：ISA+40℃

（2）巡航：高度39800ft，溫度：ISA+35℃

2.1 高原地面工況邊界設(shè)置

僅上部的一臺(tái)EMP工作，計(jì)算域進(jìn)口（EMP排氣口）流量2860L/min，溫度121℃；計(jì)算域出口（EMP進(jìn)口）靜壓為0Pa；艙室內(nèi)流場設(shè)置空氣變物性（密度隨溫度變化），不可壓縮。

四周各艙壁如尾艙四周蒙皮、前面球面框、尾部隔板設(shè)置外表面溫度、材料、導(dǎo)熱系數(shù)和內(nèi)表面發(fā)射率（本文中均設(shè)置0.5）。

各發(fā)熱設(shè)備，如油箱設(shè)置材料鋁合金，設(shè)置體發(fā)熱40W；四個(gè)油濾分別發(fā)熱：20W、14W、5W、5W，材料，鋁合金；環(huán)控APU引氣導(dǎo)管和七段液壓管道，設(shè)置面發(fā)熱，表面溫度分別設(shè)置200℃和83℃。

2.2 巡航工況邊界設(shè)置

巡航工況邊界設(shè)置除以下幾條變更外，其余均和高原地面工況設(shè)置相同。

尾艙四周框架外表面蒙皮溫度設(shè)置2℃；EMP排氣流量4375L/min和溫度86℃；尾艙尾部隔板外壁面設(shè)置恒定55℃；環(huán)控APU引氣導(dǎo)管不工作，表面溫度更改為環(huán)境溫度。

3 計(jì)算結(jié)果

通過三維計(jì)算獲知，高原地面工況和巡航工況，整個(gè)尾艙空氣域平均溫度分別為54℃和23℃，滿足艙室平均溫度的要求（高原狀態(tài)最大環(huán)境溫度為60℃，巡航狀態(tài)最大環(huán)境溫度為32℃），巡航工況的安全裕度更大為28%；下一步則需查看兩種工況下EMP周圍環(huán)境溫度是否滿足溫度要求；

首先分析，較為嚴(yán)酷的高原地面EMP周圍環(huán)境溫度，分別取穿過EMP的三個(gè)平面分析其附近空氣溫度分布。

圖3YZ切面溫度云圖顯示的是穿過兩個(gè)EMP和油箱三個(gè)設(shè)備的一個(gè)空氣域垂直截面溫度分布圖，從中可以看出，兩個(gè)EMP和位于其上部的油箱三者位置連成一線與重力方向平行，上部設(shè)備將阻礙下部設(shè)備散熱空氣的流通，這一布局不利于下部設(shè)備散熱，同時(shí)還會(huì)加熱上部設(shè)備；兩個(gè)EMP周圍區(qū)域的溫度都在60℃以下，在EMP高原狀態(tài)的最大環(huán)境溫度60℃范圍內(nèi)。

巡航狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果與高原地面狀態(tài)相似，不做詳細(xì)分析。巡航工況下上部EMP噴出的高溫氣體沖向球面框，到達(dá)溫度在60℃左右，對(duì)球面框造成熱沖擊的現(xiàn)象依然存在，除上部EMP尾部外，兩EMP周圍大部分區(qū)域空氣溫度不超過32℃。

4 結(jié)論

本文模擬極熱天環(huán)境下高原地面和巡航兩種工況的尾艙溫度場，計(jì)算中考慮了自然對(duì)流、輻射以及由于EMP排氣引氣形成的強(qiáng)迫對(duì)流。計(jì)算結(jié)果表明兩種工況下，尾艙艙室內(nèi)平均溫度和EMP周圍環(huán)境溫度均滿足要求，但是EMP尾部噴出的高溫氣體直接沖向復(fù)合材料的球面框，超過復(fù)合材料的耐熱溫度，需要重新布局EMP位置或者增加球面框的熱防護(hù)措施。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

[2]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(xué)出版社，2004.

[3]朱春玲.飛行器環(huán)境控制與安全救生[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：湯靜]