民用飞机电子设备舱推力回收喷管计算分析

刘 牧 袁建新 / LIU Mu YUAN Jianxin

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

民用飞机电子设备舱推力回收喷管计算分析

刘 牧 袁建新 / LIU Mu YUAN Jianxin

(上海飞机设计研究院，上海 201210)

介绍了某型民用飞机电子设备舱排气系统主要组成，排气系统推力回收喷管的工作原理和设计要求，并分别通过理论计算和CFD三维仿真模拟，验证了该推力回收喷管的性能和关键设计尺寸。

电子设备舱；排气系统；推力回收喷管

0 引言

随着现代民用飞机技术不断发展，各类机载系统如飞行控制、通信导航、综合信息处理、驾驶舱显示及客舱娱乐等的性能的不断提高，其电子设备的热功耗也相应越来越高。

根据ARINC600标准要求，民用飞机电子设备舱通风系统需要根据设备热载荷向电子设备提供有效的通风量进行冷却以保障电子设备的可靠性[1]，并通过排气系统将电子设备散发的热量排出机外。

1 某型民用飞机电子设备舱排气系统介绍

本文的计算分析基于某型国产民用飞机，该飞机在飞行状态时，电子设备舱排气系统通过安装在低压管路和飞机蒙皮之间的推力回收喷管(thrust recovery nozzle，简称TRN)将废气排除机外，图1为排气系统推力回收喷管和其在飞机上的安装示意，推力回收喷管的设计和性能计算是该飞机电子设备舱通风系统设计的重要内容之一。

该型民用飞机电子设备舱排气系统位于飞机前部电子设备舱内，主要功能是将电子设备舱通风冷却后产生的热气以及厨房盥洗室通风产生的废气一起排出机外。排气系统主要由排气风扇、低压管路、排气活门、推力回收喷管、单向活门和区域温度传感器等组成，图2为该排气系统的工作原理示意。

(a) 排气系统推力回收喷管

(b) 排气系统推力回收喷管安装示意图图1 排气系统推力回收喷管和其安装示意

图2 电子设备舱排气系统工作原理

当飞机在地面或飞行高度小于设定值A0时，互为备份的两个排风风扇交替工作，将废气通过低压管路系统抽吸至位于电子设备舱的排气活门处，通过排气活门排出机外；当飞行高度大于设定值A0时，排风风扇和其下游的排气活门关闭，与推力回收喷管相连接的排气活门打开，废气在压差作用下通过推力回收喷管排出机外；排气系统通过安装在电子设备舱内的区域温度传感器监测电子设备舱环境温度，并在舱内温度超过设计值时发出告警信号。

2 推力回收喷管工作原理和设计输入

该排气系统推力回收喷管为一种渐缩式导流喷管，入口为4in法兰，排气气流通过喷管加速后排出机外，同时产生推力。

在飞行状态下，随飞行高度上升，座舱内外压差不断增大，当飞行高度达到设定值A0时，排气系统风扇停止工作，推力回收喷管上游排气活门打开通过座舱内外压差进行排气，排气气流流速不断增大直至临界状态达到音速后不再增加，此时至巡航状态，排气的体积流量达到最大值并保持恒定。

推力回收喷管的设计点为巡航状态，喷管入口压力为P1，入口温度为T1，设计点的排气质量流量Q0的确定需满足以下条件：

(1) 排气流量应满足飞机厨房和盥洗室的排气流量需求；

(2) 排气系统应提供足够的电子设备舱排气流量以确保电子设备舱的环境温度满足设计要求，同时电子设备舱排气流量应大于进气流量以避免产生舱内空气循环；

(3) 满足飞机座舱压力调节和排气活门最小开启角度要求。

根据以上条件确定推力回收喷管的设计点参数见表1，并以此作为推力回收喷管喉道尺寸的计算输入。

表1 推力回收喷管的设计点参数

3 排气系统推力回收喷管设计计算与仿真分析

本文首先采用计算流体力学中喷管的理论计算方法得到推力回收喷管喉道尺寸D0，然后根据TRN设计尺寸采用CFD三维仿真的方法对TRN在设计点的排气过程进行仿真模拟，以验证TRN设计值的正确性。

3.1 推力回收喷管理论计算

假设TRN 内部空气为理想气体，流动为定常绝热等熵流，首先根据TRN入口参数计算滞止参数：

式中:R为理想气体常数；ρ1为TRN入口空气密度；D1为TRN入口直径；v1为TRN入口气流速度；T0为滞止温度；cp为定压比热容；P0为滞止压力；γ为等熵指数(取为1.4)。

计算得到滞止压力P0为75 800 Pa，在TRN设计点巡航状态，TRN出口外部大气环境压力Pamb为19 004 Pa，此时：

式中，Pcr为临界压力，临界压比为0.528 3。

因此，在设计点TRN喉道处流动达到临界状态，喉道气流速度v0为当地声速，收缩喷管出口气流临界速度计算公式为[2]：

设计点TRN喉道直径D0为：

式中，ρcr为临界状态密度；σ为推力回收喷管的流量系数，取为0.985。

根据以上计算过程代入TRN设计点参数和入口直径、出口环境压力等参数，得到TRN喉道设计尺寸为43.6mm。

3.2 推力回收喷管设计点三维仿真模拟

根据以上计算结果完成推力回收喷管的三维数模设计，如图1(a)所示。

提取TRN三维数模内部曲面和进出口界面，在TRN出口处增加尺寸为1 200mm×600mm×400mm的外流场，导入到ANSYS中进行网格划分。采用六面体结构网格，在TRN 进出口表面和近壁面等位置进行了网格加密处理，总网格单元数为938 550，总网格节点数为907 996。

带外流场的TRN 仿真网格图如图3所示。

图3 带外流场的TRN 仿真网格图

假设TRN内流体为理想状态空气，连续流体。传热模型采用总能模型。湍流模型采用BSL Reynolds Stress 模型。假设TRN内壁面光滑、无流动滑移，壁面绝热。

此时飞机处于39 800 ft 巡航状态，马赫数为0.8，带外流场的TRN数值仿真边界条件见表2。

表2 带外流场的TRN数值仿真边界条件

经计算连续方程残差小于2.8×10-6，动量方程残差小于1.2×10-5，能量方程残差小于1.7×10-5，认为计算结果收敛。通过TRN 的空气质量流量为15.222kg/min，符合设计要求在该条件下排气量(15.2kg/min)要求。

TRN及外部流场的对称面速度云图、温度云图和压力云图分别见图4～图6。

TRN三维仿真计算结果表明，采用计算得到的TRN喉道尺寸设计值，在设计点巡航状态下TRN的排气流量和设计目标值基本一致，TRN 内部流动达到临界状态。

图4 TRN及外部流场的速度云图

图5 TRN及外部流场的温度云图

图6 TRN及外部流场的压力云图

4 结论

本文介绍了某型民用飞机电子设备舱排气系统的组成和工作原理、排气系统推力回收喷管的设计输入和性能参数，通过理论计算得到了该推力回收喷管的喉道直径尺寸，并建立三维CFD仿真模型，通过数值仿真分析验证了推力回收喷管设计的正确性，本文的计算分析为民用飞机电子设备舱排气系统设计提供参考。

[1] Air Transport Avionics Equipment Interfaces Arinc Specification 600-19[S].2011，3(6)：32-37.

[2] 孔珑.工程流体力学[M].第二版.北京：水利电力出版社，1992：178-188.

Calculation and Analysis of the Thrust Recovery Nozzle in Civil Aircraft Avionics Compartment

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This article introduces extraction system composition of avionics compartment for some civil aircraft, the operation principle for the thrust recovery nozzle in the extraction system and requirements of the performance and critical design.The thrust recovery nozzle was validated by theoretic calculation and 3D CFD simulation.

avionics compartment; extraction system; thrust recovery nozzle

V241

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.019

刘牧男，硕士，工程师，主要研究方向：民用飞机通风系统设计;E-mail: liumu@comac.cc

袁建新男，硕士，高级工程师，主要研究方向：民用飞机空调系统设计;E-mail: yuanjianxin@comac.cc