章葉川　郭玉杰　張強(qiáng)

[摘要]APU進(jìn)氣系統(tǒng)流體計算研究是APU系統(tǒng)設(shè)計中的重要工作，本文主要從計算模型、CFD求解模型和計算結(jié)果分析三個方面，對APU進(jìn)氣系統(tǒng)流體計算方法進(jìn)行了研究，開展了對進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化、計算區(qū)域的確定、網(wǎng)格生成、邊界條件的定義、CFD求解方法，以及計算結(jié)果處理分析的研究工作，為APU進(jìn)氣系統(tǒng)流體計算方法提供了理論參考。

[關(guān)鍵詞]APU；進(jìn)氣系統(tǒng)；流體計算

0引言

APU進(jìn)氣系統(tǒng)功能是將飛機(jī)外界氣流導(dǎo)人APU壓氣機(jī)中，提供APU各種條件下所需的空氣流量，并滿足APU入口處的壓力損失要求和盡可能小的進(jìn)氣畸變要求，從而保障APU系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。進(jìn)氣系統(tǒng)的氣動設(shè)計不僅影響到APU本身的性能，同時也對飛機(jī)的整體氣動布局產(chǎn)生影響，而流體計算方法是APU進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)，為APU進(jìn)氣系統(tǒng)的改型、優(yōu)化設(shè)計、及試驗提供理論指導(dǎo)，因此APU進(jìn)氣系統(tǒng)的流體計算方法研究至關(guān)重要。

本文對APU進(jìn)氣系統(tǒng)流體計算方法的研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，主要內(nèi)容包括進(jìn)氣系統(tǒng)涉及的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化、計算區(qū)域的確定、網(wǎng)格生成、邊界條件的定義、CFD求解方法，和流體計算結(jié)果分析。

1APU進(jìn)氣系統(tǒng)的流體計算

進(jìn)氣系統(tǒng)流體氣動計算方法研究的目的，在于從CFD角度開展APU進(jìn)氣系統(tǒng)氣動性能研究，獲得APU進(jìn)氣系統(tǒng)CFD計算的建模方法、CFD分析的基本方法以及對所得結(jié)果進(jìn)行分析，為深入開展APU進(jìn)氣系統(tǒng)的研究提供理論基礎(chǔ)。

1.1計算幾何模型簡化

在進(jìn)氣系統(tǒng)的分析和設(shè)計中，進(jìn)氣道形狀、進(jìn)氣方式、進(jìn)氣口形狀、進(jìn)氣口在飛機(jī)上的位置，對APU進(jìn)氣系統(tǒng)以及飛機(jī)氣動性能有最為直接和重要的作用，為了真實反映這些要素，采用的計算幾何模型的建立基于下列兩個基本原則：

（1）真實再現(xiàn)對APU進(jìn)氣系統(tǒng)有重要影響的要素，例如進(jìn)氣道形狀、進(jìn)氣口位置、進(jìn)氣風(fēng)門的形狀，以及進(jìn)氣口在機(jī)身上的位置等。

（2）保留了對流場特征有重要影響的幾何結(jié)構(gòu)，簡化對流場計算沒有影響或影響很小的結(jié)構(gòu)，

以某大型客機(jī)的APU進(jìn)氣系統(tǒng)為例，經(jīng)過初步簡化，得到如圖l所示的幾何實體模型，該模型包括下列部件：飛機(jī)后機(jī)身、進(jìn)氣風(fēng)門、APU進(jìn)氣管道和冷卻管道。

1.2計算網(wǎng)格生成

計算網(wǎng)格品質(zhì)的好壞將直接影響計算的效果，不好的網(wǎng)格甚至得出錯誤的結(jié)果，合適的網(wǎng)格不僅能得到正確的結(jié)果，還可以大大的縮短計算時間。

APU進(jìn)氣系統(tǒng)流體計算分析的網(wǎng)格生成包含下列步驟：

（1）以帶進(jìn)氣系統(tǒng)在內(nèi)的中后機(jī)身為原始模型，將其CAD程序中導(dǎo)人。

（2）機(jī)身修整。從CAD程序中帶入的幾何圖案常常包含許多重復(fù)和不合理的線條與碎面，需要將重復(fù)線條去掉，小面融合構(gòu)成較大的面，這樣才能成功地劃分網(wǎng)格。

（3）計算域的選取。網(wǎng)格生成中，需要確定流場的計算區(qū)域。取包圍機(jī)身在內(nèi)的一個較大區(qū)域作為計算域，為了網(wǎng)格劃分的便利，采用了大圓柱形狀作為外部計算區(qū)域。進(jìn)氣管道本身作為內(nèi)流計算域部分。

（4）計算區(qū)域的分塊。由于含APU進(jìn)氣系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分比較復(fù)雜。FLUENT軟件包含的網(wǎng)格生成程序Gambit難以直接生成單塊網(wǎng)格，因此需要采用多塊網(wǎng)格。

（5）網(wǎng)格生成。各個分塊采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行生成，在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成中，考慮了相鄰分塊的網(wǎng)格一致性。

2CFD求解模型

2.1湍流模型設(shè)置

APU進(jìn)氣系統(tǒng)的流動工況基本上是處于湍流流動狀態(tài)下。要反映湍流流場的真實情況，可采用平均N-S方程和湍流模型聯(lián)合求解，

APU進(jìn)氣系統(tǒng)的計算采用最常用的標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型。

2.2邊界條件設(shè)置

在數(shù)值計算中，計算域內(nèi)的流動是由邊界條件驅(qū)動的。從某種意義上說，求解實際問題的過程，就是將邊界線或邊界面上的數(shù)據(jù)，外推擴(kuò)展到計算域內(nèi)部的過程。因此，提供符合物理實際且適定的邊界條件是極其重要的。在APU進(jìn)氣系統(tǒng)研究中的邊界條件設(shè)置中，通常會設(shè)置4個不同類型的邊界面：自由來流的壓力遠(yuǎn)場（pressure-far-field）、進(jìn)氣道出口的壓力出口（pressure-outlet）、固體壁面（wall）和內(nèi)部邊界（interior），如圖2。

2.3數(shù)值求解初始化

在CFD計算中，除了要給定邊界條件外，還需要給出流動區(qū)域內(nèi)的所有流動變量的初值，即初始條件。初始條件一定是物理上合理的，否則，一個不合理的初始條件常常導(dǎo)致計算時間延長甚至不合理的計算結(jié)果。在APU進(jìn)氣系統(tǒng)計算中，采用了外流的自由邊界條件（Pressure-far-field）進(jìn)行初始化。

2.4收斂設(shè)置

由于含機(jī)身在內(nèi)的APU進(jìn)氣系統(tǒng)模型的復(fù)雜性，迭代開始時常常需要以較小的Courant數(shù)進(jìn)行，開始將其設(shè)置為0.5，并且當(dāng)?shù)€(wěn)定之后加大到5。這樣需要迭代一段時間（如5000步）之后，更改Courant數(shù)并接著進(jìn)行計算。當(dāng)然也可以直接選取0.5或更小，但是需要迭代很長的時間。在迭代過程中，殘差可能收斂性能不令人滿意，此時可采用監(jiān)視某些參數(shù)（如進(jìn)氣道出口流量等）是否穩(wěn)定，流場殘差是否變化穩(wěn)定，再通過迭代步驟來終止計算。因為由于計算模型的復(fù)雜和網(wǎng)格品質(zhì)的緣故，收斂可能很慢。

3流體計算結(jié)果及后處理

計算結(jié)束后，可以進(jìn)行流場分析。分析用FLUENT自帶的后處理部分直接進(jìn)行，也可以采用第三方軟件進(jìn)行。

對于APU進(jìn)氣系統(tǒng)計算，下列一些重要的流場參數(shù)需要處理出來。

1）進(jìn)氣道出口截面參數(shù)。這包括出口流量、出口面總壓恢復(fù)系數(shù)、出口面矢量圖、馬赫數(shù)分布等。前兩個是工程設(shè)計時所需的進(jìn)氣道性能參數(shù)，其他可以幫助了解進(jìn)氣道的流動特征。

2）描述進(jìn)氣口附近流動情況的參數(shù)分布。如靜壓分布，流線，速度矢量等。它們可用來分析唇口設(shè)計的情況。

3）描述風(fēng)門左右的流動情況。包括速度矢量圖、壓力分布等。它們有助于分析風(fēng)門設(shè)計的氣動特點。

4）中后機(jī)身的流動特征。如靜壓分布等。它們可以用來了解氣流對進(jìn)氣系統(tǒng)的影響，以及進(jìn)氣系統(tǒng)對飛機(jī)的影響等，

4總結(jié)

APU進(jìn)氣系統(tǒng)工作研究是APU設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，掌握APU進(jìn)氣流場參數(shù)的計算方法是APU進(jìn)氣設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。本文研究了APU進(jìn)氣系統(tǒng)CFD分析的基本方法。研究獲得了下列主要結(jié)果：

1）研究了如何建立APU進(jìn)氣系統(tǒng)的計算幾何模型。在充分分析了典型APU進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、特殊要求之后，簡化并確立了為開展進(jìn)氣系統(tǒng)CFD分析所需的典型幾何模型。

2）確立了為進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)所需的CFD計算方法。包括計算區(qū)域的確定、網(wǎng)格生成、邊界條件的定義、以及CFD求解方法，它們構(gòu)成了APU進(jìn)氣系統(tǒng)CFD數(shù)值模擬的計算模型。

3）介紹了對于APU進(jìn)氣系統(tǒng)流體計算結(jié)果的后期處理要點及設(shè)計影響。

[責(zé)任編輯：王偉平]