推力回收活門經(jīng)濟(jì)性研究

李力濤

【摘 要】本文目的是為了加深對推力回收活門經(jīng)濟(jì)性研究，推進(jìn)大型飛機(jī)壓調(diào)系統(tǒng)國產(chǎn)化。本文從推力回收活門的流量特性進(jìn)行分析，以某型飛機(jī)具體性能參數(shù)為例，采用三維可壓縮Navier-Stokes方程在matlab，fluent等計算軟件中仿真該型飛機(jī)推力回收活門推力回收能力。研究結(jié)果顯示在該飛機(jī)參數(shù)下，推力回收活門可回收363.83N推力。因此，在大型客機(jī)上研究和發(fā)展推力回收活門可一定程度上提高其經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】推力回收活門；Navier-Stokes方程；流動介質(zhì)

【Abstract】The purpose of issue is to research the trust recovery valve，and push the capability of cabin pressure control system research by china. Issue analyze the trust recover valve flux characteristic，and use the three-dimensional and compressible Navier-Stokes equation in software of matlab and fluent to simulate the trust recovery capacity of trust recovery valve which based some type aircraft。 The result of research show that the trust recovery valve can recover 363.83N power in this aircraft. So the air bus economy can be reduced by research and develop the trust recovery valve.

【Key words】Trust recover valve；Navier-Stokes equation；Flow medium

0 引言

數(shù)字式座艙壓力控制系統(tǒng)是目前大型民航科技上應(yīng)用較多的一種壓力控制系統(tǒng)，是近三十年發(fā)展成熟起來的。其優(yōu)點(diǎn)是對活門的控制一切采用數(shù)字化，從大氣采集數(shù)據(jù)，壓力制度計算，活門轉(zhuǎn)動計算等都由計算機(jī)完成，接口通過總線等將信號傳輸至活門控制電機(jī)，通過點(diǎn)擊轉(zhuǎn)動完成活門位移控制。相對于以往的壓力控制系統(tǒng)，數(shù)字式壓力控制系統(tǒng)對流量的控制更加精確，更加可靠。

排氣活門是整個座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中唯一的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其活門的反應(yīng)精度，調(diào)節(jié)特性將直接決定座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能，因此活門類型的選擇對座艙壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)意義重大。目前Boeing和Airbus飛機(jī)多采用雙門板結(jié)構(gòu)形式，具有推力回收效果的推力回收活門，該活門具有控制精度高，控制方式簡單且具有推力回收功能。我國目前在該領(lǐng)域內(nèi)的研究成果還主要集中在用于軍機(jī)的氣動活門，對電動活門還處于研究階段，對推力回收活門的研究更是剛剛起步，因此要想滿足我國大型客機(jī)國產(chǎn)化得需求，需要加大對推力回收活門的研究力度。

本文將針對某型飛機(jī)對推力回收活門的推力回收特性進(jìn)行研究。

1 推力回收活門

推力回收活門為電動的雙翻板活門，可安裝在機(jī)身蒙皮表面。在壓調(diào)系統(tǒng)正常工作時，艙內(nèi)排出氣體將從雙翻板間形成的類似噴管的縫隙排向機(jī)外，活門的安裝位置及活門構(gòu)型將引導(dǎo)這部分氣體沿飛機(jī)航向向后排出，起到回收部分推力的作用。推力回收活門由AC/DC電機(jī)通過齒輪減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動，自動方式AC電機(jī)工作，手動方式通過DC電機(jī)驅(qū)動活門工作。具體活門結(jié)構(gòu)見圖1。

2 門閥流量特性分析

門閥不同于傳統(tǒng)的蝶閥排氣活門，它雙門板向內(nèi)開結(jié)構(gòu)保證它可安裝在飛機(jī)蒙皮表面且不影響飛機(jī)外流場性能，并且排出氣體可在一定程度上改善飛機(jī)外流場環(huán)境及為飛機(jī)提供一定數(shù)量級的推力回收。圖2 雙門板結(jié)構(gòu)排氣活門示意圖。

從圖3以直觀的看出，當(dāng)門閥的相對開度小于0.4時，其流量特性的線性度比較好，下面我們利用Matlab軟件的Curve Fitting Tool（曲線擬合工具）對圖3所示門閥流量特性的相對開度小于0.4的情況進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果見表1和圖4。

3 門閥推力回收計算

本次計算以飛機(jī)在39000ft高空以0.82Ma速度巡航，艙內(nèi)供氣流量為50kg/min，艙內(nèi)溫度為24℃，且艙內(nèi)外空氣均視為理想氣體?；铋T體結(jié)構(gòu)選用等分的雙門板活門，尺寸為230mm×285mm。

由于艙內(nèi)壓力高于外界大氣壓力，當(dāng)門閥打開時，會形成一個噴嘴，艙內(nèi)氣體經(jīng)此流向艙外。而該股氣流在飛機(jī)的飛行方向上有分量，因此噴射的氣流會在飛機(jī)飛行的方向上產(chǎn)生一個沖力，這個沖力的效果相當(dāng)于對飛機(jī)作用了一個推力，因此也叫做推力補(bǔ)償。數(shù)值計算中這個推力實(shí)際上就是活門受到的沿飛機(jī)飛行方向上的氣動力。

3.1 幾何模型及網(wǎng)格生成

計算的門閥式活門板有兩個，每一個活門板的開度為6.32度，長 115mm，寬285mm。當(dāng)活門開度為零時，活門和飛機(jī)座艙壁面完全封閉，此時艙內(nèi)和艙外沒有氣流的交換。用一個1230mm×1000mm的平面模擬飛機(jī)座艙壁面，上下兩個1230mm×1000mm×500mm空間，分別模擬座艙內(nèi)和座艙外環(huán)境。由于本次計算的幾何模型是對稱的，因此采用半模進(jìn)行計算以提高計算速度。對活門生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對靠近活門的區(qū)域進(jìn)行加密?；铋T及座艙壁面的半模模型如圖5所示：

本文使用流動分析軟件Fluent，通過對上述方程組進(jìn)行求解，得到空氣由艙內(nèi)經(jīng)過活門排出艙外的定常流場，計算中所采用的算法為Roe-FDS格式。

3.3 采用FLUENT求解時的一些重要設(shè)置

3.3.1 求解器選擇

由于本次計算屬于可壓流動，因此采用基于密度的求解器。計算中采用隱式求解算法。

3.3.2 流動介質(zhì)選擇

3.3.3 邊界條件設(shè)置

計算中，共有對稱面、區(qū)域交界面、壁面、進(jìn)口和出口五種邊界條件需要設(shè)置，前三種邊界條件的設(shè)置比較簡單，下面主要介紹進(jìn)口邊界條件和出口邊界條件的設(shè)置。

在模擬空氣由座艙內(nèi)通過活門的流動過程中，進(jìn)口邊界在座艙內(nèi)，艙內(nèi)的壓力為77957Pa，溫度為297K，而出口邊界在飛機(jī)座艙外，艙外壓力為21657Pa，溫度為216.65K，馬赫數(shù)為0.715，根據(jù)這些已知條件，選擇壓力入口邊界條件和壓力遠(yuǎn)場邊界條件。壓力入口邊界條件用于定義流動入口的壓力以及其它標(biāo)量屬性。它即可以適用于可壓流，也可以用于不可壓流。壓力入口邊界條件可用于壓力已知，但是流動速度和/或速率未知的情況。針對本次計算的實(shí)際問題，在計算時需要輸入駐點(diǎn)總壓、駐點(diǎn)總溫、靜壓以及湍流參數(shù)。在FLUENT中，若使用壓力入口邊界條件來初始化解域，Supersonic/Initial Gauge Pressure是與計算初始值的指定駐點(diǎn)壓力相聯(lián)系的，計算初始值的方法有各向同性關(guān)系式（對于可壓流）或者貝努力方程（對于不可壓流）。因此，對于亞聲速入口，它是在關(guān)于入口馬赫數(shù)（可壓流）或者入口速度（不可壓流）合理的估計之上設(shè)定的，因此本次計算中將靜壓設(shè)為一個比總壓略小的值。壓力遠(yuǎn)場邊界條件的設(shè)置比較簡單，只需輸入出口的靜壓、溫度和馬赫數(shù)，這些條件在上面已給出。

3.4 計算結(jié)果

由于門閥式排氣活門形成一個噴嘴形，所以噴射的氣流會對飛機(jī)產(chǎn)生一個推力補(bǔ)償。這個推力補(bǔ)償通過FLUENT軟件的REPORT項(xiàng)算出，在此次的半模計算中，兩個活門板的推力分別為95.099N和86.816N。因此半模計算中兩個活門板的補(bǔ)償推力為181.915N。整模的補(bǔ)償推力為363.83N。

4 結(jié)論

本文對某型飛機(jī)推力回收活門推力回收特性進(jìn)行研究，計算得出推力回收活門的補(bǔ)償推力，驗(yàn)證了推力回收活門可以一定程度上提高大型客機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。但由于目前缺乏對該活門的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在后續(xù)工作中需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)開展相關(guān)研究。

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[責(zé)任編輯：湯靜]