高铭

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.019

摘 要：为了研究某型飞机配平系统管路出口的流场特性，并分析流场对管路的影响情况。利用FLUENT流体分析软件对配平系统管路出口流场进行模拟，得到管路内部在冷天和热天工况下的流场温度分布图。研究结果表明：在冷天和热天两种工况下，管路内的流场都不会对管壁产生影响，且冷、热空气的混合效果较好，能快速的使管路内部的空气温度达到预设值。研究结果对民用飞机配平系统管路的优化设计具有一定的参考价值。

关键词：民用飞机 配平系统 管路 流场

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0019-03

民用飞机的环境控制系统内的配平管路将从发动机引来的热空气输送到飞机空调主管内，并与从制冷模块传来的冷空气进行混合，得到温度合适的空气，最终输送给座舱。由于飞机内部空间有限、结构紧凑，并且为了使乘员具有较好的舒适感，必须使管路尽可能适应飞机空间，且管路内部空气的温度能快速混合到预设值。因此，有必要对配平管路出口，冷热空气混合的内部流场进行分析，从而研究管路内部的流程对管路的影响情况及温度混合情况。该文应用Fluent软件对配平管路出口处进行流场数值计算，在此基础上研究分析冷天和热天的极限情况下管路内部的流程，为将来管路设计和优化提供依据。

1 物理模型描述

该文研究的模型物理结构如图1所示。该模型由两部分组成：主管和弯管。冷空气从主管的右侧管口进入，流向座舱；弯管内通过热空气，从下部管口进入。冷热空气在弯管的出口处开始进行混合最终通向座舱，通向座舱的空气温度可通过手动设定热空气的流量来实现。由于主管与弯管出口的中心線不在同一轴线上，因此采用三维计算模型。

图1中主管的直径为140 mm，主管材料为复合材料；弯管直径24 mm，弯管材料为金属。分别研究飞机配平系统在热天和冷天两种极限工作状态。热天工作时，冷空气的温度为3 ℃，压力为0.3 bar，热空气的温度为255 ℃，压力为0.8 bar；冷天工作时，冷空气的温度和压力与热天一致，热空气温度为186 ℃，压力为0.8 bar。由于通向座舱的主管长度较长，故只取混合空气流过的第一段空调主管来进行仿真，该段主管的长度为2350 mm。

2 模型建立

基于模型的实际尺寸数据，使用Gambit模块建立仿真模型并进行网格划分，得到模型如图2所示。模型的网格采用Hex，单元类型为Cooper，共计44 652个网格单元，最小面积为2 843 735×10-6m2，最大面积为2 434 717×10-4m2，最小体积为2 878 805×10-5m3，最大体积为2 080 816×10-3m3。该模型中，设定主管冷空气入口为压力入口边界，主管通向座舱口为压力出口边界，弯管热空气入口为压力入口边界，其余为壁面边界条件。

3 数值模拟与结果分析

使用Fluent对该模型进行模拟计算。为了简化模型，忽略空气湿度的影响。采用分离隐式求解器进行稳态计算，并启用能量方程，得到仿真结果。仿真得到热天和冷天管路内部的温度分布图，并选取一通过管路中心线的截面，得到截面上的温度分布图，如图3和图4所示。从图3和图4中可以看出，在管路长度方向上，距离热空气出口越远，冷热空气的混合越明显，管路内部的流场特性较好，无较大的扰流出现，且在主管管壁附近的气体温度没有超过350 K，故热天和冷天两种极限情况下管路内的气体都不会对管壁的使用寿命产生影响。

选取弯管出口的轴线，得到该轴线上沿着空气流动方向上随距离变化的温度曲线，如图5和图6所示。从图5和图6中所示的曲线走势中可以看出，0.75 m之前温度的下降趋势较缓慢，0.75～1.7 5m之间温度下降明显，超过1.75 m之后温度的下降趋势又变得缓和起来，直至混合空气的温度接近设定值。

对比图5和图6，可知热天相对于冷天，同样在流过0.75 m的情况下，热天空气温度下降35 K，冷天下降13 K，热天时的温度下降更快。所以，目前飞机管路的设计合理，冷热空气混合效果好，对外界温度的适应性强。

4 结语

随着民用飞机的不断发展，飞机的环境控制系统也在不断地优化，该文通过流体计算软件对配平系统出口的流场进行仿真是一种很高效且节约成本的方式。建立了配平系统出口管路的模型，对系统在冷天和热天情况下管路内部的温度和流场特性进行计算和分析。结果表面，当前的管路构型可以满足各类极限情况下的工作需求，可以较快、较好地实现冷热空气的混合，并对将来的管路设计优化具有一定的指导意义。

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