民机冲压空气系统流动特性仿真研究

航发设计 2022年12月9日浏览：1745

思维导图

研究背景

冲压空气系统是民用飞机的重要组成部分，其功能是为飞机空调系统、辅助冷却系统和惰化系统提供廉价冷源空气，保障飞机座舱温度调节、厨房餐车冷却、燃油箱防爆等功能的正常运行。随着民用飞机载客能力的不断提高，飞机体积及内部各系统越来越庞大，所包括的辐射面积、人员和设备发热量持续提升，导致冲压空气系统重量、尺寸也越来越大。这不但会占据飞机宝贵的安装空间、增大飞机燃油损耗，同时冲压空气蒙皮开口尺寸增大也会进一步增加飞机的气动阻力，降低飞机运营的经济性。

可见，舒适性要求和经济性要求之间的矛盾已成为民用飞机冲压空气系统设计的重大挑战。目前民机多采用集成式设计技术，将冲压空气的各用户集成在一套流道中，实现能源综合利用。为了保障各系统的正常运行且进一步降低飞机能耗，需要针对冲压空气系统气动特性进行仿真研究，获得冷源空气在流道内的分配特性与流阻特性。

本文为了获得冲压空气系统的整体性能，通过建立冲压空气系统内部件计算模型，研究冲压空气全流道气动特性，为后续民机冲压空气系统以及空调系统的设计提供理论支持。

冲压空气系统简介

冲压空气系统的作用是为空调系统、辅助冷却系统和空气准备系统提供冷源。

空调系统中的初级换热器和次级换热器、辅助冷却系统中的换热器和空气准备系统中的初级换热器和次级换热器均布置于冲压空气流道中，需要通过具有低温度的冲压空气带走这些系统产生的热量，保障系统安全运行。

对于某民用飞机，冲压空气系统的工作原理与运行工况有关，地面工况通过ACM风扇将机外空气吸入冲压空气管道并流经各用户系统换热器带走热量,空中工况通过飞机前进运动使机外空气进入冲压空气管道并流经各用户系统换热器带走热量，冲压空气系统架构如图所示。

某飞机冲压空气系统架构示意图

仿真计算方法

几何模型前处理

冲压空气系统既受外界大气环境的直接影响，又受系统内部各子用户复杂部件的影响，因此在针对冲压空气内流道仿真过程中应同时考虑飞机内外流场的耦合作用。本文在几何模型前处理中分别针对飞机外流场和冲压空气内部流道和部件建立了几何模型，并完成了几何模型中细小碎面的修补，创建了同时具有飞机外部流场和冲压空气内部结构的计算域。其中整体飞机计算域如图所示。

整体飞机计算域

冲压空气内部流道几何结构如下图所示。其中冲压空气内部流道除了管道件之外，还包括了换热器部件和风扇部件。

冲压空气内部流道几何结构

网格划分与边界条件设置

仿真计算采用结构网格和非结构网格相结合的方式，并对飞机外流场和冲压空气内部流道采用不同的网格尺度进行划分，网格数量总计约684万。由于冲压空气全流道计算包括了飞机外流场和内流道部分，因此边界条件设置需要同时考虑这两方面的物理条件。具体计算边界条件、计算工况如下表所示。

边界条件

计算工况

数值计算模型

计算结果与分析

空气流动压力分布结果

空中巡航状态下机身外表面压力分布如图所示，其中冲压空气内流道压力分布下图所示。根据仿真计算结果可知，空中巡航状态下机身外部的机头以及机翼前端直接与来流高速气流接触，导致局部压力较高；冲压空气内流道部分高速气流流经换热器区域之后，压力明显下降，表明压力损失主要集中在换热器区域。

空中巡航状态下机身压力分布图

空中状态冲压空气内流道压力分布图

地面状态下风扇处局部压力分布如下图所示。根据仿真结果可知，在地面状态下，风扇为驱动冲压空气流动的动力源，风扇区域的整体压力分布均匀，冲压空气流经冲压腔内的风扇区域后，由于风扇的作用，空气压力有一定程度的上升。基于上述计算结果可以获得冲压空气流道内的压力分布，并计算得出整个冲压空气流道的阻力值，用于全机能耗评估。

地面状态下风扇处局部压力分布图

流量分配仿真计算结果

不同飞行阶段下各换热器的流量分配结果如下图所示。由于空调系统初级和次级换热器同处一个流道且截面积相同，同时空气准备系统初级换热器和次级换热器也同处一个流道且截面积相同，因此空调系统初级换热器与次级换热器通过的流量一致，空气准备系统初级换热器与次级换热器通过的流量也一致。根据计算得出的流经不同换热器的冲压空气流量，对比各系统换热器散热量要求，可以得出目前冲压空气流道设计可以满足各用户系统的需求。