辅助动力舱冷却用排气引射器性能快速评估方法

高鹏 王代军 周红 马双超

摘 要：在飞机辅助动力装置系统研制过程中，只能通过试验和计算流体力学（CFD）仿真方法对排气引射器的引射性能进行评估，且评估效率低、研制成本高，故無法获得任意工况下排气引射器的引射性能。本文提出用速度系数比β参数来描述排气引射器的引射性能，并建立了辅助动力舱冷却用排气引射器性能快速评估方法，通过CFD仿真分析对该方法的合理性和准确性进行了验证，验证结果表明，该方法可以快速、准确地评估各种地面工况下排气引射器的主流出口静压和总压、次流流量、次流出口总压等参数，且计算精度保持在2.382%以内，满足工程使用要求，大大提高了评估效率，具有较高工程应用价值。

关键词：辅助动力装置； 排气引射器； 速度系数； 总压损失； 引射性能

中图分类号：V228.7 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.06.007

随着新技术和新材料在航空领域的广泛应用，航空发动机热力循环温度不断增高，发动机性能和功质比得以大幅提高，同时也给飞机动力舱冷却以及红外隐身带来新的挑战。排气引射器在实现动力舱冷却的同时，又能减小飞机的红外辐射[1-8]，故排气引射器多被用于飞机动力舱以及辅助动力（APU）舱的通风冷却。

针对波瓣形排气引射器，目前国内外已经开展了大量的理论、试验和数值仿真等研究工作[4-17]，并揭示了其引射机理及影响其引射性能的相关因素。在APU舱冷却用排气引射器的应用研究方面，文献[18]～[20]在二维模型的基础上研究了APU喷口位置和喷流速度对排气引射器引射性能的影响。

APU喷口（主流出口）静压是APU性能评估的主要输入参数之一，并直接影响APU性能计算精度；APU舱冷却流量（次流流量）是评估APU舱温度、滑油温度和掺混气流温度的重要参数，也是灭火系统设计的重要输入，上述参数只能通过试验和计算流体力学（CFD）仿真方法获得，由于试验成本高，CFD仿真分析耗时长，故无法获得任意工况下排气引射器的引射性能数据。如何通过少数工况点下的试验结果或CFD仿真分析结果，构建一种可快速、准确评估地面任意工况下排气引射器引射性能的计算方法就成为APU系统设计亟须研究的重要内容。

为此，本文提出用速度系数比β参数来描述排气引射器的引射性能，在此基础上建立了APU舱冷却用排气引射器性能快速评估方法，并通过CFD仿真分析对该方法的合理性和准确性进行了验证，验证结果表明，该方法可以快速评估APU任意地面工况下排气引射器的主流出口静压和总压、次流流量、次流出口总压等参数，且计算精度满足工程使用要求，大大提高了评估效率，具有较高的工程应用价值。

1 评估方法 1.1 速度系数比

2 方法验证

为了验证本文评估方法的合理性和准确性，本文选用的是在MA700飞机APU系统三维模型的基础上进行了简化处理的计算模型（见图2），其中，APU舱型面为MA700飞机尾椎型面，APU尾喷口（主流出口）半径为120mm，APU排气管等直段半径为165mm。

计算模型的网格划分利用ICEM CFD软件的结构化网格进行划分，在APU舱出口和主流出口位置区域进行了网格加密以保证计算精度，如图3所示。

文献[11]分别采用4种湍流模型对某波瓣混合器进行了CFD仿真分析，并与试验结果进行了对比分析，分析表明Realizable k- ε湍流模型与试验结果吻合最好，精度最高。所以本文在CFD仿真分析中采用Realizable k- ε湍流模型，主流进口采用流量进口+温度边界条件，进气外场采用压力进口+温度边界条件，排气外场采用压力出口+温度边界条件，壁面采用无滑移标准壁面边界条件。为了提高计算精度，连续方程、能量方程、湍流动能方程以及湍流耗散率方程均采用二阶迎风差分格式，流动和压力耦合采用SIMPLE（semiimplicit method for pressure linked equations）算法。

2.1 典型工况下的CFD仿真分析

本文在选取典型工况时，仅改变主流流量，环境压力和温度以及主流温度等其他条件均保持恒定，最终在2～12kg/s的主流流量范围内选取6种典型工况，采用CFD仿真分析对6种典型工况下计算模型的引射性能进行了分析计算，结果见表1。

本文采用最小二乘法对表1中速度系数比β与主流速度系数λp进行拟合，获得β与λp之间的函数关系为

2.2 评估方法验证

2.2.1 验证工况下的性能计算

为了尽可能得到不同环境条件和APU工况下本文评估方法的最大计算误差，本文结合MA700飞机APU系统地面工作包线（环境高度：0～4.5km，温度：-55℃～ISA+40℃），在1.2～8.4kg/s的主流流量范围内，主流总温在525～900K范围内，组合选取了9种验证工况，分别采用本文评估方法和CFD仿真分析对计算模型的引射性能进行计算，其中，本文评估方法的计算结果见表2；CFD仿真分析结果见表3。

2.2.2 评估方法可行性分析

本文根据表1和表3中相关CFD仿真分析结果，给出了典型工况和验证工况下速度系数比β随主流速度系数λp的变化图（见图4），引射比M随主流流量mp的变化图（见图5），以及次流总压损失σs随次流速度系数λs的变化图（见图6）。图4和图5表明，与引射比M相比，速度系数比β分散性较小，能更真实地反映出不同环境条件下次流气动参数随主流气动参数变化的规律。图6表明，文献[1]中的次流通风特性方程适用于APU舱冷却用排气引射器的次流总压计算，本文仅用次流速度系数λs计算次流总压损失σs以及用最小二乘法拟合两者之间的函数关系是合理可行的，而且具有较高的精度，可满足工程使用要求。

2.2.3 计算误差分析

与9种验证工况下的CFD仿真分析结果（见表3）相比，本文评估方法的计算误差较小，相关参数的计算误差如下：（1）主流出口静压绝对误差不超过127.5Pa，相对误差不超过0.133%（工况P2）；（2）主流出口总压的绝对误差不超过153.6Pa，相对误差不超过0.174%（工况P6）；（3）次流流量的绝对误差不超过0.0469kg/s，相对误差不超过2.382%（工况P2）；（4）次流出口总压的绝对误差不超过254.4Pa，相对误差不超过0.263%（工况P2）。

综上，本文评估方法具有较高的计算精度，最大相对误差不超过2.382%，可以用该方法替代CFD仿真方法评估整个APU系统地面工作包线范围内的排气引射器性能。

3 结论

本文提出了一种速度系数比β参数，建立了辅助动力舱冷却用排气引射器性能快速评估方法，并通过9种验证工况下的CFD仿真分析对该方法的合理性和准确性进行了验证，验证结果表明，与引射比M相比，速度系数比β分散性较小，能真实地反映出不同环境条件下次流气动参数随主流气动参数变化的规律；次流通风特性方程适用于APU舱冷却用排气引射器的次流总压计算；本文评估方法具有较高的计算精度，最大相对误差不超过2.382%，大大提高了评估效率，可用于整个APU系统地面工作包线范围内排气引射器引射性能的评估，具有较高的工程应用价值。

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Rapid Evaluation Method for Pumping Performance of Exhaust Ejector Used in APU Compartment Cooling

Gao Peng， Wang Daijun， Zhou Hong， Ma Shuangchao

AVIC The First Aircraft Institute， Xi’an 710089， China

Abstract： In the process of aircraft auxiliary power unit system design and development，only test method and CFD method could be used for getting the pumping performance of exhaust ejector， which needs mass time and costs. therefore， the pumping performance of exhaust ejector in all kinds of APU working conditions on the ground can not be getted. In this paper， the velocity coefficient ratio β is presented， and a rapid evaluation method for pumping performance of exhaust ejector used in APU compartment cooling is established. By comparing with CFD results， the contrastive result demonstrate that this method is correct and accurate. This method can evaluate pumping performance rapidly when APU works at all kinds of working conditions on the ground， such as the static pressure and total pressure of primary flow outlet， the secondary mass flow， and the total pressure of secondary flow outlet. This method can maintain evaluation accuracy within 2.382% to meet the engineering design requirements and improve evaluation efficiency greatly. It is significant for engineering applications.

Key Words： auxiliary power unit； exhaust ejector； velocity coefficient； total pressure loss； pumping performance