基于有限元的吊艙內(nèi)部溫度場仿真分析與優(yōu)化

閆鵬慶

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

在研制航空、航天設(shè)備的過程中，常通過在真實環(huán)境或近似環(huán)境中開展飛行試驗來檢驗設(shè)備的工作性能、環(huán)境適應(yīng)性。機(jī)載試驗吊艙是開展這類飛行試驗的重要載體，其具有結(jié)構(gòu)獨立、適應(yīng)性強(qiáng)等特點。特別是對大質(zhì)量、需要長時間滯空的大型載荷的掛飛試驗來說，能夠提供各種配套條件的運輸類飛機(jī)是理想的試飛平臺。

在開展機(jī)載試驗吊艙掛飛的過程中，由于飛行試驗環(huán)境與研制目標(biāo)存在差異，因此部分在研設(shè)備對吊艙內(nèi)部的溫度、壓力等環(huán)境指標(biāo)提出了較高的要求。與此同時，運輸類飛機(jī)配有功能完備的環(huán)控系統(tǒng)，可以滿足艙內(nèi)溫度控制、壓力調(diào)節(jié)的要求。針對某載荷掛飛中對吊艙環(huán)境溫度控制的需求，該文提出了利用運輸機(jī)平臺環(huán)境控制系統(tǒng)能力控制吊艙內(nèi)部溫度的方法，通過有限元方法對吊艙內(nèi)部的溫度場進(jìn)行分析，并根據(jù)溫度場分析結(jié)果對吊艙內(nèi)部設(shè)備的布局、結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，達(dá)到優(yōu)化溫度場、提高敏感部件周圍溫度均勻性的目的。

1 需求分析和實現(xiàn)方案

該文使用的某星載演示驗證設(shè)備質(zhì)量大，演示驗證試飛中須保證良好的下視視野。因此，專門研制了外掛吊艙并將吊艙掛裝在某型運輸機(jī)機(jī)身下側(cè)面。

被試設(shè)備對環(huán)境的敏感度較高，工作環(huán)境需要保持在0℃以上并且溫度均勻、穩(wěn)定，氣壓高度小于或等于5 km。而吊艙掛載在艙外且冬季需要在約8 km 的高空進(jìn)行掛飛試驗，因此吊艙需要進(jìn)行增壓和加溫。針對該需求，為了以較小的代價同時實現(xiàn)對吊艙內(nèi)部進(jìn)行增壓和控溫的目標(biāo)，該文提出了一種基于飛機(jī)平臺環(huán)控系統(tǒng)能力的改裝實現(xiàn)方法，如圖1 所示。在平臺環(huán)控系統(tǒng)空氣分配管路上增加支路，通過電動活門控制吊艙引氣，引取的熱空氣通過專用管路通入吊艙。吊艙內(nèi)部的空氣通過另外一路回氣管導(dǎo)入氣密套艙，實現(xiàn)吊艙內(nèi)部環(huán)境與氣密套艙的連通，吊艙與氣密套艙內(nèi)部壓力實現(xiàn)統(tǒng)一，通過座艙壓力控制實現(xiàn)吊艙內(nèi)部氣壓高度小于或等于5 km 的目標(biāo)。吊艙引氣管路和回氣管路上分別安全活門和備份安全活門，在吊艙系統(tǒng)不使用或出現(xiàn)應(yīng)急情況時保證客艙內(nèi)部的氣密性。該方法不僅改裝量較少，而且在使吊艙內(nèi)部壓力滿足要求的同時，還使吊艙內(nèi)部能夠利用環(huán)控系統(tǒng)的熱氣進(jìn)行加溫，但是被試設(shè)備對吊艙內(nèi)部溫度及其均勻性仍有較高的要求，需要對吊艙內(nèi)部溫度場進(jìn)行分析，對通風(fēng)管路和吊艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)等設(shè)計要素進(jìn)行優(yōu)化，使吊艙內(nèi)部溫度滿足某星載演示驗證設(shè)備的工作需求。

圖1 吊艙環(huán)控改裝方法原理框圖

2 溫度場分析和優(yōu)化方法

機(jī)載吊艙內(nèi)部溫度場同時受外部流場狀態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備布局以及內(nèi)部空氣流動等多種因素的影響。在傳統(tǒng)的溫控吊艙設(shè)計中，一般將吊艙內(nèi)部作為均一整體，利用經(jīng)驗公式計算每種因素對熱載荷的影響。而對封閉吊艙的內(nèi)流動來說，其內(nèi)部溫度場并不均勻，特別是對溫度敏感的設(shè)備來說，不宜將艙內(nèi)空間作為均勻整體進(jìn)行考慮。因此，須對吊艙內(nèi)部溫度場進(jìn)行分析并進(jìn)行針對性優(yōu)化，以提高吊艙內(nèi)溫度場的均勻性[1]。

采用基于有限元方法的熱仿真對吊艙內(nèi)部溫度場進(jìn)行分析和優(yōu)化，通過分析得到吊艙內(nèi)、外部溫度場，利用該方法可以有針對性地對吊艙內(nèi)設(shè)備布局和吊艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)對空氣流動進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)，從而優(yōu)化吊艙內(nèi)部溫度場，保證載荷工作溫度條件[2-4]。

采用CFX 軟件開展吊艙內(nèi)、外溫度場穩(wěn)態(tài)分析。為了對仿真工作進(jìn)行適當(dāng)簡化，吊艙溫度場的分析和優(yōu)化工作分為以下2 個步驟：1） 主要考慮吊艙與外流場的對流換熱、吊艙外表面的固體傳熱以及吊艙內(nèi)部流場的對流換熱，對吊艙的熱載荷進(jìn)行分析，確定通氣口尺寸。2） 將吊艙熱載荷模擬結(jié)果作為邊界載荷，對吊艙內(nèi)部溫度場進(jìn)行分析并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)、布置飛行驗證所使用的溫度傳感器。

3 計算吊艙熱載荷

根據(jù)載荷掛飛試驗工況、吊艙外形以及吊艙結(jié)構(gòu)形式對8 km 平飛時的吊艙的熱載荷進(jìn)行有限元仿真分析，在計算吊艙對外換熱量的同時確定通氣口尺寸。

根據(jù)吊艙外形和假設(shè)繪制模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于吊艙為薄壁結(jié)構(gòu)，其幾何尺寸與外場相差較大，因此為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，分別對內(nèi)、外場進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，分別設(shè)置多種直徑通氣口直徑并進(jìn)行仿真計算。

熱載荷分析時對計算條件進(jìn)行簡化，簡化條件及主要邊界條件如下：1） 僅考慮吊艙與外流場的換熱，不考慮通過吊掛結(jié)構(gòu)的傳熱。當(dāng)計算外流場時，不考慮飛機(jī)機(jī)身對換熱的影響。2） 由于吊艙掛裝在機(jī)身側(cè)面，因此飛行中可能會出現(xiàn)被機(jī)身遮擋的情況，不考慮陽光輻射加熱作用。3） 不考慮吊艙內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及設(shè)備，將吊艙作為均勻空腔考慮。4） 吊艙邊界為2 mm 厚的鋁制蒙皮，蒙皮內(nèi)側(cè)貼10 mm 玻璃絲棉。5） 吊艙上分別設(shè)置進(jìn)氣口、排氣口，2 個通氣口僅作為邊界，不考慮前、后端管道流動。6） 吊艙內(nèi)壓力按照余壓39 kPa（即79 kPa）進(jìn)行計算。7） 外場來流溫度為236 K。8） 進(jìn)氣口平均溫度為333 K，排氣口所連接的飛機(jī)艙溫為298 K。

穩(wěn)態(tài)分析計算結(jié)果顯示，當(dāng)從平臺加裝環(huán)控系統(tǒng)引入溫度為333 K、通氣流量約為120 kg/h 的熱空氣且通氣口直徑設(shè)置為40 mm 時，可以保證吊艙內(nèi)部的平均溫度為283 K，最低溫度大于或等于273 K，滿足飛行試驗要求，此時吊艙壁面熱載荷為-1 360.5 W。

內(nèi)、外場溫度場及速度矢量示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 內(nèi)外場溫度場示意圖

圖3 內(nèi)外場速度矢量示意圖

4 吊艙內(nèi)溫度場分析和優(yōu)化

將上述吊艙熱載荷計算結(jié)果作為計算輸入條件之一，開展吊艙內(nèi)流場的穩(wěn)態(tài)分析，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計以及溫度測點布置設(shè)計。此時，將吊艙內(nèi)部作為計算區(qū)域（不再作為均勻空腔），考慮設(shè)備布局及吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，根據(jù)上述吊艙熱載荷計算結(jié)果，吊艙內(nèi)流場入口（通氣入口）附近空氣流速較高，為了避免高溫射流直接沖擊設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備局部溫度過高，在出、入口增加擋流板。在計算吊艙內(nèi)部溫度場的過程中對吊艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備進(jìn)行簡化：1） 吊艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)均作為絕熱固體，只考慮對流場的影響，不考慮除壁面外的其他結(jié)構(gòu)傳熱。2） 將設(shè)備外形簡化為其包絡(luò)尺寸，在考慮發(fā)熱時認(rèn)為其發(fā)熱均勻。3） 僅考慮主要框結(jié)構(gòu)對流場的影響，不考慮較低的梁、長桁等其他結(jié)構(gòu)。

對初步設(shè)計的吊艙結(jié)構(gòu)、設(shè)備布局進(jìn)行簡化，得到計算用三維模型（如圖4 所示）。根據(jù)該三維模型對吊艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，當(dāng)在CFX 中進(jìn)行邊界條件設(shè)置時，將上述吊艙熱載荷計算結(jié)果作為吊艙壁面熱載荷，同時保持通氣出/入口尺寸、空氣溫度等設(shè)置不變。通過該結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局下的穩(wěn)態(tài)分析計算可以得到吊艙內(nèi)溫度場分布，如圖5 所示。

圖4 吊艙內(nèi)流場計算簡化模型

由圖5 可知，吊艙內(nèi)部溫度的均勻性較差，不利于被試設(shè)備工作，當(dāng)最高溫度達(dá)到25 ℃時，設(shè)備附近部分區(qū)域溫度仍低于0℃。對該結(jié)果進(jìn)行分析，造成該結(jié)果的原因主要是吊艙內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致空氣流動不合理，在部分路徑流速過高的同時仍有空間內(nèi)流動較弱。針對暴露的問題，對吊艙內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性優(yōu)化。優(yōu)化重點是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整吊艙內(nèi)空氣流動，結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容如下：1） 將前、后端框高度由45 mm 升至90 mm，避免熱空氣大量流入無用空間。2） 增大后部雙偏振設(shè)備安裝底板，使其與中間加強(qiáng)框貼合，利用底板封堵熱氣通過中間加強(qiáng)框流通的通道，迫使氣流流經(jīng)這2 臺設(shè)備，提高流動的均勻性。3） 將中間加強(qiáng)框開口通過尺寸由550 mm（寬）×320 mm（高）增至700 mm（寬）×350 mm（高），進(jìn)一步提高流動的均勻性，降低設(shè)備周邊空氣的流速。4） 將出口及入口擋流板流道截面直徑由60 mm 增至100 mm，降低局部流動損失。

圖5 吊艙內(nèi)溫度場分布示意圖

重新對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用與上述計算相同的邊界條件計算穩(wěn)態(tài)內(nèi)流場。仿真計算得到的吊艙內(nèi)部流場及溫度場分布如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后的吊艙內(nèi)溫度場分布示意圖

計算結(jié)果顯示，吊艙內(nèi)溫度均勻性提高，吊艙內(nèi)整體平均溫度為285 K，除出入口外，設(shè)備附近最高溫度為292 K，最低溫度為275 K，能夠保證吊艙內(nèi)部環(huán)境滿足設(shè)備的工作需求。

吊艙三維溫度場分布如圖7（a）所示，將3 枚空氣溫度傳感器探頭分別安裝在吊艙內(nèi)高、中和低溫典型區(qū)域（如圖7（b）所示），以保證在飛行試驗中能夠采集最具代表性的吊艙內(nèi)部溫度，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行吊艙溫度場分析和優(yōu)化效果評估。

圖7 吊艙溫度傳感器的安裝

5 應(yīng)用效果

在吊艙溫度場優(yōu)化工作結(jié)束后進(jìn)行吊艙結(jié)構(gòu)加工和裝配，試驗飛機(jī)平臺掛載吊艙進(jìn)行多次飛行試驗。飛行結(jié)果顯示，試驗中吊艙內(nèi)的溫度始終高于0 ℃且被試溫度敏感設(shè)備旁高低溫差小于或等于15 ℃，與仿真分析結(jié)果的一致性較高。

6 結(jié)語

針對某星載演示驗證設(shè)備在某運輸機(jī)平臺試驗吊艙上的掛飛試驗，該文提出了基于平臺環(huán)控系統(tǒng)能力的吊艙增壓和加溫改裝方案，采用基于有限元方法的熱仿真對吊艙的熱載荷及內(nèi)部溫度場進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對吊艙內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，從而優(yōu)化吊艙內(nèi)部的溫度場，滿足被試設(shè)備對工作環(huán)境的要求。通過飛行試驗對該文的分析方法和優(yōu)化后的效果進(jìn)行驗證。結(jié)果顯示，該文的分析方法較好地反映了吊艙內(nèi)部的溫度場，基于該分析方法開展的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計取得了顯著的效果。