推力回收活门经济性研究

李力涛

【摘 要】本文目的是为了加深对推力回收活门经济性研究，推进大型飞机压调系统国产化。本文从推力回收活门的流量特性进行分析，以某型飞机具体性能参数为例，采用三维可压缩Navier-Stokes方程在matlab，fluent等计算软件中仿真该型飞机推力回收活门推力回收能力。研究结果显示在该飞机参数下，推力回收活门可回收363.83N推力。因此，在大型客机上研究和发展推力回收活门可一定程度上提高其经济性。

【关键词】推力回收活门；Navier-Stokes方程；流动介质

【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

数字式座舱压力控制系统是目前大型民航科技上应用较多的一种压力控制系统，是近三十年发展成熟起来的。其优点是对活门的控制一切采用数字化，从大气采集数据，压力制度计算，活门转动计算等都由计算机完成，接口通过总线等将信号传输至活门控制电机，通过点击转动完成活门位移控制。相对于以往的压力控制系统，数字式压力控制系统对流量的控制更加精确，更加可靠。

排气活门是整个座舱压力调节系统中唯一的执行机构，其活门的反应精度，调节特性将直接决定座舱压力调节系统的性能，因此活门类型的选择对座舱压力调节系统意义重大。目前Boeing和Airbus飞机多采用双门板结构形式，具有推力回收效果的推力回收活门，该活门具有控制精度高，控制方式简单且具有推力回收功能。我国目前在该领域内的研究成果还主要集中在用于军机的气动活门，对电动活门还处于研究阶段，对推力回收活门的研究更是刚刚起步，因此要想满足我国大型客机国产化得需求，需要加大对推力回收活门的研究力度。

本文将针对某型飞机对推力回收活门的推力回收特性进行研究。

1 推力回收活门

推力回收活门为电动的双翻板活门，可安装在机身蒙皮表面。在压调系统正常工作时，舱内排出气体将从双翻板间形成的类似喷管的缝隙排向机外，活门的安装位置及活门构型将引导这部分气体沿飞机航向向后排出，起到回收部分推力的作用。推力回收活门由AC/DC电机通过齿轮减速机构驱动，自动方式AC电机工作，手动方式通过DC电机驱动活门工作。具体活门结构见图1。

2 门阀流量特性分析

门阀不同于传统的蝶阀排气活门，它双门板向内开结构保证它可安装在飞机蒙皮表面且不影响飞机外流场性能，并且排出气体可在一定程度上改善飞机外流场环境及为飞机提供一定数量级的推力回收。图2 双门板结构排气活门示意图。

从图3以直观的看出，当门阀的相对开度小于0.4时，其流量特性的线性度比较好，下面我们利用Matlab软件的Curve Fitting Tool（曲线拟合工具）对图3所示门阀流量特性的相对开度小于0.4的情况进行曲线拟合，结果见表1和图4。

3 门阀推力回收计算

本次计算以飞机在39000ft高空以0.82Ma速度巡航，舱内供气流量为50kg/min，舱内温度为24℃，且舱内外空气均视为理想气体。活门体结构选用等分的双门板活门，尺寸为230mm×285mm。

由于舱内压力高于外界大气压力，当门阀打开时，会形成一个喷嘴，舱内气体经此流向舱外。而该股气流在飞机的飞行方向上有分量，因此喷射的气流会在飞机飞行的方向上产生一个冲力，这个冲力的效果相当于对飞机作用了一个推力，因此也叫做推力补偿。数值计算中这个推力实际上就是活门受到的沿飞机飞行方向上的气动力。

3.1 几何模型及网格生成

计算的门阀式活门板有两个，每一个活门板的开度为6.32度，长 115mm，宽285mm。当活门开度为零时，活门和飞机座舱壁面完全封闭，此时舱内和舱外没有气流的交换。用一个1230mm×1000mm的平面模拟飞机座舱壁面，上下两个1230mm×1000mm×500mm空间，分别模拟座舱内和座舱外环境。由于本次计算的几何模型是对称的，因此采用半模进行计算以提高计算速度。对活门生成结构化网格，并对靠近活门的区域进行加密。活门及座舱壁面的半模模型如图5所示：

本文使用流动分析软件Fluent，通过对上述方程组进行求解，得到空气由舱内经过活门排出舱外的定常流场，计算中所采用的算法为Roe-FDS格式。

3.3 采用FLUENT求解时的一些重要设置

3.3.1 求解器选择

由于本次计算属于可压流动，因此采用基于密度的求解器。计算中采用隐式求解算法。

3.3.2 流动介质选择

3.3.3 边界条件设置

计算中，共有对称面、区域交界面、壁面、进口和出口五种边界条件需要设置，前三种边界条件的设置比较简单，下面主要介绍进口边界条件和出口边界条件的设置。

在模拟空气由座舱内通过活门的流动过程中，进口边界在座舱内，舱内的压力为77957Pa，温度为297K，而出口边界在飞机座舱外，舱外压力为21657Pa，温度为216.65K，马赫数为0.715，根据这些已知条件，选择压力入口边界条件和压力远场边界条件。压力入口边界条件用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。它即可以适用于可压流，也可以用于不可压流。压力入口边界条件可用于压力已知，但是流动速度和/或速率未知的情况。针对本次计算的实际问题，在计算时需要输入驻点总压、驻点总温、静压以及湍流参数。在FLUENT中，若使用压力入口边界条件来初始化解域，Supersonic/Initial Gauge Pressure是与计算初始值的指定驻点压力相联系的，计算初始值的方法有各向同性关系式（对于可压流）或者贝努力方程（对于不可压流）。因此，对于亚声速入口，它是在关于入口马赫数（可压流）或者入口速度（不可压流）合理的估计之上设定的，因此本次计算中将静压设为一个比总压略小的值。压力远场边界条件的设置比较简单，只需输入出口的静压、温度和马赫数，这些条件在上面已给出。

3.4 计算结果

由于门阀式排气活门形成一个喷嘴形，所以喷射的气流会对飞机产生一个推力补偿。这个推力补偿通过FLUENT软件的REPORT项算出，在此次的半模计算中，两个活门板的推力分别为95.099N和86.816N。因此半模计算中两个活门板的补偿推力为181.915N。整模的补偿推力为363.83N。

4 结论

本文对某型飞机推力回收活门推力回收特性进行研究，计算得出推力回收活门的补偿推力，验证了推力回收活门可以一定程度上提高大型客机的经济性。但由于目前缺乏对该活门的相关实验数据，在后续工作中需要结合实验室试验开展相关研究。

【参考文献】

[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京航空航天大学出版社，2004，7.

[2]吴望一.流体力学[M].北京大学出版社，1982，8.

[3]王浚，徐扬禾.飞机座舱空气参数控制[J].北京国防工业出版社，1980.

[4]Earl W.Adams.Optimization Procedures Applied to Environmental Conditioning System for the B-70 Air vehicle[J]. ASME Pre-prient 61-AV-23，1998.

[责任编辑：汤静]