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基于CFD仿真的民用客机空气分配系统混合腔性能研究

曹祎　屠毅
【摘 要】以STAR-CCM+软件为计算平台，本文对某民用客机混合腔构型的混合性能、压降及温度损失进行研究。结果表明，空气通过混合腔产生的最大压降小于设计要求的最大压降值1mbar，空气通过混合腔本体产生的温度损失为0.55K，满足设计要求。
【关键词】混合腔；压降；温度损失
0 引言
民用客机空气分配系统主要负责将一定流量、温度和压力的空调供气，通过低压管路输送至飞机客舱及驾驶舱区域，以满足座舱通风、增压和温度调节的要求。混合腔作为飞机空气分配系统中的重要部件，主要功能是将制冷组件的新鲜空气与再循环空气充分混合后供往飞机的各个舱区[1]。衡量混合腔设计优劣的主要指标包括：冷热空气混合的均匀度、空气流经混合腔所产生的压降及温度损失。为保证飞机具有较高的经济性，要求进入混合腔的空气充分混合的同时，产生的压降和温度损失均能符合设计预期。
本文以民用客机混合腔为研究对象，采用STAR-CCM+软件对混合腔内的流场及温度场进行研究，分析此混合腔构型的混合性能、压降及温度损失，验证混合腔的设计是否满足需求。
1 工作原理与设计需求
1.1 工作原理
混合腔的入口为制冷组件接口和再循环系统接口，气源为来自制冷組件的新鲜空气与来自客舱的再循环空气。空气通过混合腔后，经分配管路输送至飞机客舱及驾驶舱区域，客舱以再循环舱为界分为前、后两个舱室，个人通风为单独送风，因此混合腔出口包括与前客舱接口、与后客舱接口、与个人通风接口及与驾驶舱接口。由于客舱供气量较大，为便于对客舱供气流量进行分配，混合腔所有进出口除与驾驶舱接口外，均设置为左右侧各一个。混合腔共计4个入口，7个出口，具体设计外形如图1所示。
1.2 设计需求
为保证空气分配系统的性能，对混合腔的设计指标提出了以下需求：
1）空气从入口至混合腔出口整个混合阶段产生的最大压降小于1mbar；
2）空气从混合腔预混段出口至混合腔出口产生的最大温降小于1℃。
2 仿真计算
2.1 网格划分
采用多面体网格划分法划分模型，边界层设置为3层，对内部孔板、挡板等局部细节区域进行加密处理，模型的网格划分如图2所示。
2.2 边界条件
（1）混合腔入口设置为质量流量入口。每个制冷组件供气入口流量为0.45kg/s，温度为0.9℃；每个再循环供气入口流量为0.297kg/s，温度为29℃。
（2）考虑地面状态，混合腔出口设置为压力出口，压力值为101325Pa。
（3）混合腔本体设置为对流边界，依据混合腔外部隔热层材料和厚度，计算得到等效传热系数值为2.815W/m2·K[2]。
2.3 仿真结果及分析
2.3.1 混合腔流场分析
2.3.2 混合腔性能分析
混合腔的性能指标主要包括空气从入口至混合腔出口整个混合阶段产生的压力损失及空气从混合腔预混段出口至混合腔出口产生的温度损失，其中混合腔预混段为将来自制冷组件的空气与再循环空气进行初步混合的装置。本文通过评估混合腔进出口间的压力损失及预混段至出口处的温度损失，对混合腔进行性能分析。混合腔各入口与出口间的压差值如图4所示。混合腔进出口的温度值如图5所示。
由计算结果可知，空气通过混合腔产生的最大压降小于设计要求的最大压降值1mbar，小于设计要求的最大压降值1mbar。混合腔预混段出口平均温度为283.02K，混合腔出口平均温度为283.57K，空气通过混合腔本体产生的温度损失为0.55K，小于设计要求的最大温度损失1℃。
3 结语
本文基于STAR-CCM+软件，对某民用客机混合腔构型的混合性能、压降及温度损失进行研究。空气通过混合腔产生的最大压降为709.07Pa，空气通过混合腔本体产生的温度损失为0.55K，满足设计要求，此研究为混合腔的设计提供了重要支持。
【参考文献】
[1]张存.基于CFD仿真的某大型客机混合腔设计[J].中国科技信息，2014（14）： 39-40.
[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：459-466.
[责任编辑：朱丽娜]
科技视界2017年5期
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