吳 丹 / WU Dan(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

民用飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)流量仿真計(jì)算

吳 丹 / WU Dan
(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

以某型民用飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，考察了從再循環(huán)系統(tǒng)到貨艙和混合腔的流量分配。采用Flowmaster軟件對(duì)再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)飛機(jī)在高空巡航和地面熱天兩種工況下的再循環(huán)系統(tǒng)流量分配進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明，該再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足下游用戶(hù)的流量需求。

再循環(huán)系統(tǒng)；流量；仿真計(jì)算

0 引言

本文以某型民用飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，考察了再循環(huán)系統(tǒng)流量進(jìn)入貨艙和混合腔的流量是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。采用flowmaster軟件對(duì)再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)飛機(jī)在高空巡航和地面熱天狀態(tài)下的再循環(huán)系統(tǒng)流量分配進(jìn)行了仿真計(jì)算。

1 再循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

典型的民用飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)一般由再循環(huán)過(guò)濾器、再循環(huán)風(fēng)扇和再循環(huán)低壓管路組成?？团撆艢庖徊糠峙懦鰴C(jī)外，另一部分經(jīng)過(guò)再循環(huán)過(guò)濾器過(guò)濾后，經(jīng)再循環(huán)風(fēng)扇抽吸進(jìn)入混合腔，與來(lái)自制冷系統(tǒng)的新鮮空氣在混合腔中混合，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[3]。再循環(huán)風(fēng)扇下游，一部分再循環(huán)空氣進(jìn)入混合腔，另一部分進(jìn)入貨艙。如圖1所示。

通過(guò)查閱工程設(shè)計(jì)中再循環(huán)系統(tǒng)流量需求文件，可明確從再循環(huán)系統(tǒng)到混合腔和貨艙的流量需求。通過(guò)對(duì)再循環(huán)系統(tǒng)流量進(jìn)行仿真計(jì)算，可知再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足流量需求。下文將對(duì)某型民用飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)流量進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 計(jì)算工具介紹

在流體力學(xué)研究中，仿真計(jì)算是一種重要的研究方法，相比于試驗(yàn)，具有耗時(shí)短、成本低、易于實(shí)現(xiàn)等多種優(yōu)點(diǎn)，且仿真計(jì)算可以得到試驗(yàn)中難以觀(guān)察到的的細(xì)節(jié)特性。Flowmaster是一種廣泛運(yùn)用于航空航天、能源動(dòng)力等行業(yè)的流體系統(tǒng)仿真分析軟件[4]，以其便捷的建模方式、精確的求解能力、高效的計(jì)算效率和圖形化的用戶(hù)交互界面而廣受歡迎。

與關(guān)注空間流動(dòng)特性的CFD軟件不同，F(xiàn)lowmaster沒(méi)有復(fù)雜的網(wǎng)格劃分步驟，省卻了大量的建模時(shí)間且對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較低；可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)元件進(jìn)行建模仿真來(lái)了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性；同時(shí)，F(xiàn)lowmaster可以通過(guò)改變部件特性參數(shù)來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況，因此可方便應(yīng)用于系統(tǒng)評(píng)估和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Flowmaster 軟件包含了一系列模塊可用于各種各樣的系統(tǒng)管流計(jì)算。其中，單相模塊包括：

1)不可壓模塊主要用于液體及低壓氣態(tài)流體系統(tǒng)的計(jì)算。包括穩(wěn)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、流體平衡分析、元件尺寸分析、部件耦合影響分析及傳熱分析。這個(gè)模塊的典型應(yīng)用包括管網(wǎng)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)特性曲線(xiàn)計(jì)算、氣體擴(kuò)散分析等；

綜合上述觀(guān)點(diǎn)，對(duì)混合式教學(xué)和企業(yè)納稅實(shí)務(wù)的分析，本研究提出會(huì)計(jì)專(zhuān)業(yè)企業(yè)納稅實(shí)務(wù)“混合式教學(xué)”的教學(xué)流程如下，并做為本研究的假設(shè)。

2)可壓模塊主要用于氣體系統(tǒng)分析，包括穩(wěn)態(tài)分析及動(dòng)態(tài)分析。這個(gè)模塊典型應(yīng)用包括氣體供給分配系統(tǒng)、壓縮機(jī)系統(tǒng)等。

Flowmaster的航空模塊，可以對(duì)各種工況下的環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析或瞬態(tài)分析，以了解部件的工作特性和系統(tǒng)的性能參數(shù)。對(duì)于再循環(huán)系統(tǒng)，管道內(nèi)的流體介質(zhì)為空氣，分析工況都為穩(wěn)態(tài)工況，因此選擇可壓穩(wěn)態(tài)分析模型。

3 建立計(jì)算模型

本文采用Flowmaster的航空模塊對(duì)再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模，將物理模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算模型。Flowmaster常用的計(jì)算模型有Pipe(管道)、Bend(彎頭)、Transition(漸變管)、Orifice(節(jié)流元件)、Loss(阻力元件)、Source(流量源和壓力源)等。

對(duì)于再循環(huán)系統(tǒng)的建模，再循環(huán)過(guò)濾器可由阻力元件表示壓力損失；循環(huán)風(fēng)扇的工作參數(shù)中僅有流量值和溫度值對(duì)再循環(huán)系統(tǒng)的出風(fēng)口的流速和溫度有影響，因此計(jì)算時(shí)將循環(huán)風(fēng)扇簡(jiǎn)化為流量源，根據(jù)各工況條件設(shè)定代表循環(huán)風(fēng)扇的流量源的流量值和溫度值；采用壓力源代表再循環(huán)系統(tǒng)到達(dá)混合腔和貨艙的接口處，根據(jù)各工況條件中的背壓值設(shè)定該壓力源的壓力值。

再循環(huán)系統(tǒng)的物理模型和計(jì)算模型對(duì)照表見(jiàn)表1。

表1 物理模型和計(jì)算模型對(duì)照表

按照上述建模原則，某型民用飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)建模結(jié)果如圖2所示。

4 確定再循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)

采用Flowmaster 軟件建立空氣分配系統(tǒng)仿真模型的關(guān)鍵在于設(shè)定模型的輸入?yún)?shù)。對(duì)于圓管、彎管、縮放管路、分流管路、壓力和流量源、限流環(huán)等部件，F(xiàn)lowmaster 軟件有多種數(shù)學(xué)模型供選擇，且具備一定的工程數(shù)據(jù)支持[5]。此外，根據(jù)工程設(shè)計(jì)中再循環(huán)過(guò)濾器、再循環(huán)風(fēng)扇和再循環(huán)系統(tǒng)低壓管路的設(shè)計(jì)規(guī)范及圖紙，可確定再循環(huán)系統(tǒng)流量仿真計(jì)算參數(shù)，各計(jì)算元件的參數(shù)種類(lèi)見(jiàn)表2。

表2 再循環(huán)系統(tǒng)流量仿真計(jì)算參數(shù)表

對(duì)于本文計(jì)算的再循環(huán)系統(tǒng)，各部分參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

5 確定計(jì)算工況、設(shè)置邊界條件

通過(guò)查閱再循環(huán)系統(tǒng)流量需求文件可以確定計(jì)算工況，據(jù)此設(shè)置再循環(huán)風(fēng)扇的入口流量、溫度，貨艙和混合腔與再循環(huán)系統(tǒng)接口處的背壓，見(jiàn)表3。

表3 仿真計(jì)算工況

6 其他設(shè)置

為了使仿真計(jì)算得以進(jìn)行，需要對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，按照經(jīng)驗(yàn)可進(jìn)行以下假設(shè)：

1)再循環(huán)系統(tǒng)中的氣體為穩(wěn)定流動(dòng)；

3)認(rèn)為管路絕熱，不考慮管內(nèi)流體和外界的換熱；

4)不考慮粘性散熱；

5)復(fù)材管路連接正確時(shí)，管路間袖套引起的壓力損失相對(duì)于整個(gè)管路的壓損可忽略不計(jì)；

6)考慮了貨艙加熱器和貨艙關(guān)斷活門(mén)的壓力損失。

7 結(jié)果與分析

計(jì)算參數(shù)、工況及邊界條件設(shè)置完成后，運(yùn)行Flowmaster軟件，可得出上述兩種工況下從再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入混合腔、從再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入貨艙的流量和流速。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算結(jié)果

對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在高空巡航和地面熱天兩種工況下，從再循環(huán)艙送到貨艙的空氣流量約為從再循環(huán)送到混合腔的空氣流量的15%左右；混合腔入口和貨艙入口的流速均小于15m/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；混合腔入口的出風(fēng)速度小于貨艙通風(fēng)口的出風(fēng)速度，這是由于混合腔入口流動(dòng)面積遠(yuǎn)大于貨艙入口截面積。

通過(guò)對(duì)比流量設(shè)計(jì)需求可知，再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足貨艙和混合腔對(duì)于再循環(huán)系統(tǒng)的流量和流速要求。

8 結(jié)論

本文以某型民用飛機(jī)再循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，考察了從再循環(huán)系統(tǒng)到貨艙和混合腔的流量分配。采用flowmaster軟件對(duì)再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)飛機(jī)在巡航和地面狀態(tài)下的再循環(huán)系統(tǒng)流量分配進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明，該再循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足貨艙和混合腔的流量和流速需求。

[1] 壽榮中,何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[2] 王恒斌,張寶霖. 國(guó)外飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)手冊(cè)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1986.

[3] 南國(guó)鵬,孫學(xué)德.再循環(huán)對(duì)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)性能影響分析[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究, 2012(4):42-51.

[4] 張光鵬,許諾等.FLOWMASTER在暖通空調(diào)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2006(3):34-38.

[5] 汪光文,楊智等. 民用飛機(jī)座艙空氣分配優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究,2015(4):54-57.

Flow Simulation of Recirculation System on Civil Aircraft

This thesis investigates into recirculation system of certain civil aircraft and its flow split into cargo compartment and mix manifold. The software Flowmaster was introduced to build up mathematical model, and simulation analysis was performed for cruise and ground hot-day cases. It turns out the design of the recirculation system satisfies flow requirement from its downstream users.

recirculation system; flow; simulation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.023

V216.5

A

吳 丹 女，工程師，主要研究方向：民用飛機(jī)客艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；E-mail:wudan@comac.cc