民用飞机APU舱门蒙皮结构对排液的影响分析

包光宇

[摘要]机载辅助动力装置（Auxiliary PowerUnit），简称APU，工作时可以为飞机提供电源和气源。根据适航法规，民用飞机APU舱必须具备排液功能。某型飞机采用引射原理实现排液功能。本文通过对该型飞机APU舱排液区域进行CFD数值模拟计算，并对计算结果进行流场分析，研究APU舱门蒙皮结构对排液功能的影响。

[关键词]APU舱；排液；模拟计算；流场分析；引射系数

0概述

机载辅助动力装置（Auxiliary Power Unit），简称APU，正常工作时可以为飞机提供电力和压缩空气。当飞机在地面准备起飞时，APU可以代替电瓶车为全机供电，并为空调系统和发动机起动提供气源。当飞机发动机在空中停车时，APU可以在一定高度内为全机提供备用电源，并为发动机空中起动提供气源。APU正常工作时由飞机燃油系统供油，因此APU舱可能由于泄漏等原因积存燃油液滴或蒸汽，所以必须具备排液功能，在APU工作期间将泄漏的燃油液滴或蒸汽及时排出机外，从而杜绝火灾隐患。

本文将针对某型飞机的APU舱排液区域进行CFD模拟计算，分析APU舱排液区域蒙皮结构对排液功能的影响。

1APU舱排液功能介绍

1.1适航要求

根据CCAR25.1181《制定火区的范围》，辅助动力装置（APU）舱属于飞机指定火区。按照CCAR 25.1187《火区的排液和通风要求》规定：“指定火区的每个部位必须能完全排放积存的油液，使容有可燃液体的任何组件失效或故障而引起的危险减至最小。”

综上，根据适航规章要求，APU舱必须具备有效且可靠的排液功能。

1.2APU舱排液原理

飞机APU舱排液一般采用重力排液和引射排液相结合的方式。其中引射排液原理如图1所示，高压主流体通过喷嘴进入混合区域内，与低压次流体混合，部分压力能转化为动能。当混合流体的静压降低到低于次流体总压，就会对次流体产生抽吸引射作用。引射过程中，次流体和主流体质量流量的比值称为引射系数，可以用于判断引射作用的强弱。

某型飞机APU舱排液系统的高压主流体来自于APU引气，通过引射排液导管沿APU舱门排液接头组件向机外排出，在局部形成负压，将APU舱内可能存在的燃油液滴或蒸汽抽吸到飞机外的环境中，从而实现排液功能。

1.3APU舱排液结构

某型飞机采用APU尾锥常规布局，APU舱位于后机身尾锥段，APU装置安装在APU舱内，舱门向下开启。APU舱排液结构如图2所示，引射排液导管一端连接在APU引气阀上，提供引射排液气源。导管沿APU舱门布置并穿过APU舱内蒙皮上开孔，导管另一端伸入APU舱门上安装的引射接头结构，将APU引气向机外喷出。

本文将针对APU舱门排液区域进行CFD模拟计算，来分析APU舱门内蒙皮结构对排液功能的影响。

2CFD模拟计算

2.1几何模型与网格建立

二维几何模型如图3所示，主要结构包括APU舱引射排液导管、APU舱内蒙皮、APU舱门以及舱门上安装的引射接头组件，几何参数采用某型飞机真实尺寸。

本文主要研究APU内蒙皮结构对引射排液的影响，选取内蒙皮开孔直径分别为25mm，35mm，45mm和无内蒙皮4种结构，应用ICEM14.5软件分别建立结构化网格，網格数145157，网格质量大于0.9。针对主流体过引射排液导管缩口和次流体过内蒙皮开孔及进入引射接头区域网格进行加密，使近壁面流动计算更准确。

2.2边界条件与计算方法

计算区域边界条件如图4所示，压力进口的主流体总压取APU引气压力。为405000Pa，压力出口背压为101325Pa，忽略由于APU排气引起的APU舱内外压差。流体为空气，由于计算工况压力较大且导管截面较小，流体流速较大，Ma>0.3，Material选择real-gas-peng-robinson。计算方法选择Coupled解算方法，该方法下计算资源的需求和网格数量线性增长，收敛更加稳定、快速。差分格式选择QUICK格式，可以减少假扩散误差，精度较高且较稳定，主要应用于结构化网格。

2.3结果分析

2.3.1速度场分析

4个算例的速度场分布如图5所示，从图中可以看出，高压主流体通过引射排液导管沿引射接头向机外高速射流。无内蒙皮结构时，APU舱内流体由于引射作用直接通过APU舱门引射接头排出机外：有内蒙皮结构时，APU舱内流体先通过内蒙皮上开孔被抽吸到内蒙皮与APU舱门之间，并在一定范围内呈涡旋状流动，最终再由APU舱门引射接头排出机外。内蒙皮开孔直径越小，引射次流体在内蒙皮与APU舱门之间的速度梯度越大，流动越剧烈。

2.3.2压力场分析

压力分布如图6所示，从图中可以看出，内蒙皮上开孔越大，引射次流体静压力梯度越小，无内蒙皮时压力梯度最小。这说明引射次流体在流过内蒙皮开孔时，由于结构间隙较小，流阻较大，能量损失较大，引射次流体在内蒙皮与APU舱门之间的涡旋流动也造成了一定的能量损失。

2.3.3引射系数分析

根据引射排液导管内主流体质量流量与APU舱门引射组件次流体质量流量计算得到引射系数，结果如图7所示。从图中可以看出，引射系数随着内蒙皮开孔直径增大而增大，没有内蒙皮时引射系数最大，通过比较引射系数，内蒙皮开孔直径为25mm与无内蒙皮工况相比，引射作用降低21.4%。

3结论

民用飞机APU舱一般通过引射排液的方式来排出APU舱内的可燃燃油液滴或蒸汽，APU舱门上的内蒙皮结构对引射排液功能有一定影响，本文对某型飞机APU排液系统结构进行合理简化，建立排液系统网格模型并进行CFD模拟计算，通过比较计算结果分析不同内蒙皮结构对APU舱排液功能的影响。

根据本文的计算结果及分析，有以下主要结论：

1）引射排液可以实现APU舱排液功能。无内蒙皮结构时，APU舱内流体通过APU舱门引射接头直接排出机外：有内蒙皮结构时，APU舱内流体先通过内蒙皮开}L进入内蒙皮与APU舱门之间，再通过APU舱门引射接头排出机外。

2）增加内蒙皮结构会增大被引射次流体的能量损失，一方面由于流体流过开孔较小间隙时流阻增大，另一方面由于立体在内蒙皮与APU舱门之问产生涡旋。内蒙皮开孔越小，能量损失越大。

3）增加内蒙皮结构会减弱引射排液作用，内蒙皮上开孔越小，减弱越明显。通过比较引射系数，内蒙皮开孔直径为25mm与无内蒙皮工况相比，引射作用降低21.4%。

[责任编辑：杨玉洁]