基于CFD对维护口盖开关泄露问题的研究

　刘小红，夏福明

（上海飞机设计研究院联络工程部，上海200436）

基于CFD对维护口盖开关泄露问题的研究

刘小红，夏福明

（上海飞机设计研究院联络工程部，上海200436）

对某机气密试验中水系统水服务面板上的维护口盖开关泄露原因进行了分析，确认泄漏源后，对该泄漏源采用CFD方法进行了分析。结果表明，该泄漏源会产生射流现象，客舱增压从13.79 kPa到56.33 kPa过程中，泄漏量依次增大，最大泄露量为8.5 L/m in，约占全机最大泄漏量的0.1%；当维护口盖关闭后，射流在水服务板角片形成局部高压，客舱增压值越大，冲击力越大，客舱增压为56.33 kPa最大冲击力为1 389Pa.

泄漏源；CFD；射流

飞机客舱增压在飞机安全过程中起非常重要的作用，所以飞机上的气密性研究都尤为必要，深入了解泄露点内部机理，分析对飞机泄露量影响程度。某机客舱余压最大不超过56.33 kPa.某机在2015年11月进行全机气密试验时，将客舱增压分别增至56.33 kPa时，对全机气密泄露进行排查，发现饮用水系统服务面板上维护口盖开关附近漏气，具体位置在开关顶杆正下方小弧度范围内，并且局部风速大，风向垂直于机身方向向外。风速明显的区域见图1.

图1　维护口盖开关泄露位置

1　泄漏源原因分析

维护口盖开关在机内装配形式为维护口盖开关本体与水服务面板与螺栓连接，在机外维护口盖开关本体与维护口盖面板、密封圈、防松保险和螺栓连接，同时维护口盖面板与水服务面板采用螺钉连接。关于该飞机密封性影响因素：

（1）该飞机在水服务板与蒙皮切合面进行了密封，并且铆钉部位湿安装。从气流流向可以判断该处与维护口盖开关气密泄露无关；

（2）该飞机在维护口盖开关与水服务面板采用密封圈密封，紧固件采用湿安装；可以判断和2015年11月出现的维护口盖开关泄露无关；

（3）经复查图纸和实物后，结合气密试验流体泄露的方向垂直于机身蒙皮的方向，发现维护口盖开关在机内与机外流体互不贯通；维护口盖开关本体在图2存在键槽，导致机内、机外气流导通。

键槽尺寸1.82 mm和0.86 mm，键槽与防松保险存在缝隙1、2、3，缝隙1为0.127 mm、缝隙2为0.267 mm、缝隙3为0.127 mm，连接飞机内外，如图2所示。当飞机客舱增压分别增至13.79 kPa、27.58 kPa、41.37 kPa、56.33 kPa时，因为飞机内外压差，流体将通过键槽，流过键槽与防松保险的间隙后，在通过键槽流向外界大气，当维护口盖打开时，该射流中流体的能量在大气中耗散掉，当维护口盖关闭后，该射流会对水服务板角片形成冲击力。

图2　缝隙细节

2　泄漏情况CFD分析

为了深入分析该泄露的内部机理，本文对维护口盖开关键槽泄露情况采用CFD（Computational Fluid Dynamics计算流体动力学）方法进行了分析。计算假设客舱内增压到某个压力值后，舱内各处压力均匀分布。流体模型如图3、4.网格布置采用结构化网格，流体区域采用分块处理，不同的流体区域之间通过交界面过渡，网格总数20万，边界条件［1］包括压力进口、压力出口、壁面、交界面。湍流模型为S-A模型。离散格式采用二阶迎风格式［2］。

图3　计算模型

图4　键槽内网格布置

边界条件：压力进口：13.79 kPa、27.58 kPa、41.37 kPa、56.33 kPa；压力出口：0 kPa；参考压力：101.325 kPa（外界大气压）。

（1）维护口盖开关键槽对泄露量影响。飞机在地面状态条件下，维护口盖打开时，客舱增压分别为13.79 kPa、27.58 kPa、41.37 kPa、56.33 kPa，

图5给出了开关键槽泄露量随客舱增压关系曲线，结果表明舱内增压值加大，泄露量增大。主要原因是维护口盖开关泄露面积一定时，舱内增压值加大，机内、外压差增大，导致键槽通道流速增大，从而造成泄露量加大。当飞机增压到56.33 kPa状稳态后，开关最大泄露量约为8.5 L/min.可以评估维护口盖开关泄漏量占全机气密试验最大泄露量接近于0.1%.如图6所示。

图5　开关泄露量随座舱增压曲线

图6　键槽速度云图和角片压力云图

（2）泄漏量对角片的冲击力。飞机在地面状态条件下，维护口盖关闭时，维护口盖没有密封条，可以认为其与水服务板组件之间组成区域与外界大气压一致，客舱增压分别为13.79 kPa、27.58 kPa、41.37 kPa、56.33 kPa，维护口盖开关键槽位置以较高速度冲击水服务板角片，因为键槽形成的射流的作用下，水服务板角片形成驻点，速度为零，形成局部高压，见图7.当客舱增压从13.79 kPa到56.33 kPa时，高压区域范围越大，增压幅值越大。客舱增压分别到56.33 kPa、41.37 kPa、27.58 kPa、13.79 kPa角片压力分别1389 Pa、953 Pa、605 Pa、276 Pa.

图7　压力云图

（3）流场分析。从速度云图图8、图9可以看出，客舱增压导致键槽内流体呈射流状态。当流体经过防松保险和键槽缝隙1、2、3时，因为客舱增压加大，导致该缝隙通道局部速度大，形成射流的动力源，流体喷射口后，一方面受键槽壁面的限制，在靠近键槽壁面的地方，风速大；另一方面，流体在另外一侧形成自由流状态，从壁面向自由流过渡时，速度依次递减，呈锥形扩散分布。当舱内增压到56.33kPa时，流体自由状态的扩散角加大，靠近键槽内壁附近高风速区变宽。

图8　速度云图（客舱增压至27.58 kPa）

图9　速度云图（客舱增压至56.33 kPa）

3　结束语

本文通过原因分析确认维护口盖开关泄露源为开关本体键槽和防松保险间隙导致，通过CFD分析该间隙对泄露量的影响，结果如下：

（1）客舱增压从13.79 kPa到56.33 kPa过程中，泄漏量依次增大，最大泄露量为8.5 L/min，，约占全机最大泄漏量的0.1%.

（2）飞机在地面状态条件下，维护口盖关闭后，客舱增压从13.79 kPa到56.33 kPa过程中，间隙产生的射流对水服务板冲击力越大，最大压力为1 389 Pa.

［1］王福军.计算流体动力学-CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［2］王瑞金，张凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2007：12.

Service Door Sw itch Leak Research Based on CFD

LIU Xiao-hong，XA Fu-ming
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Shanghai 200436，China）

In this paper，leakage reasons on the water service door switch of water system panel were analyzed when plane is in the air test，after confirming the leakage source，effect that the leakage source will lead to is analyzed using CFD method.Results show that the leakage source produces the jet flow phenomenon，in the process of the cabin pressurization from 13.79kPa to 56.33kPa，leakage increases，in turn，the largest leak amount to 8.5 L/min，and accounts for about 0.1%of the whole aircraft maximum leakage.When service door panel is closed，local high pressure in water service panel is formed，the greater the cabin pressurization value is，the greater the impact，when cabin pressurization value is 56.33kPa，themaximum impact pressure is 1389 Pa.

leakage source；CFD；jet flow

TH138

A

1672-545X（2016）06-000210-03

2016-03-04

刘小红（1978-），男，陕西渭南人，研究生，工程师，研究方向：飞机机械系统环控系统设计。