民用飛機尾艙溫度場仿真模擬

肖占　簡夕忠

【摘 要】本文提供了基于三維模擬軟件CFdesign軟件進行的民用飛機尾艙的溫度場仿真模擬，計算了極熱天環境下高原地面和巡航兩種工況的尾艙溫度場，獲取了尾艙內部溫度場分布和EMP周圍環境溫度，并分析了尾艙內部和EMP周圍的環境溫度是否符合要求，為尾艙設備優化布置提供參考。本文介紹了民用飛機尾艙溫度場仿真模擬計算方法，并對模擬結果進行了分析討論，可以為民用飛機尾艙設計提供一定的參考。

【關鍵詞】民用飛機；尾艙；溫度場模擬

0 引言

民用飛機的尾艙，一般為非氣密、非溫控封閉艙段，存在較多的發熱設備，部分設備熱載荷在千瓦級，如液壓系統的電動泵EMP和輔助動力系統APU引氣管，總熱載荷近5kW。其中EMP是液壓能源系統的主要元器件之一，其合理的工作環境溫度是正常工作的必要條件。EMP最大環境溫度（本文中認為EMP環境溫度為其附近70mm處環境溫度）要求為：周圍環境溫度不超過最大環境溫度70℃，其中高原狀態最大環境溫度為60℃，巡航狀態最大環境溫度為32℃。

1 物理模型

根據尾艙和內部設備的實際模型的大小和坐標位置，利用等效表面積法進行相應簡化，其中液壓管路根據其布置匯聚情況簡化為7段半徑30mm的圓柱，EMP簡化為大小不同的兩個圓柱組合體，油箱簡化為單個圓柱，飛控發熱設備簡化為立方體等，數模簡化后尾艙及其內部設備模型如圖1。尾艙四周艙壁均考慮了其本身的厚度影響，在計算中包含了尾艙內部空氣與四周艙壁的熱傳導計算，即傳熱的流固耦合計算。

計算網格由CFdesign軟件自動劃分并在各設備處加密，網格數量為513萬。

2 計算方法及邊界條件

計算中考慮了自然對流、輻射以及EMP風扇強迫對流（計算以排氣方式體現，EMP尾部排出高溫氣體，前部進氣，如圖1所示）[1]；僅分析與EMP尾部排氣溫度、排氣流量一致的發熱體對尾艙環境溫度的影響；邊界條件：進口流量溫度，出口靜壓；

極熱天環境下的高原地面和巡航兩種工況條件[2]：

（1）高原地面：高度：14500ft，溫度：ISA+40℃

（2）巡航：高度39800ft，溫度：ISA+35℃

2.1 高原地面工況邊界設置

僅上部的一臺EMP工作，計算域進口（EMP排氣口）流量2860L/min，溫度121℃；計算域出口（EMP進口）靜壓為0Pa；艙室內流場設置空氣變物性（密度隨溫度變化），不可壓縮。

四周各艙壁如尾艙四周蒙皮、前面球面框、尾部隔板設置外表面溫度、材料、導熱系數和內表面發射率（本文中均設置0.5）。

各發熱設備，如油箱設置材料鋁合金，設置體發熱40W；四個油濾分別發熱：20W、14W、5W、5W，材料，鋁合金；環控APU引氣導管和七段液壓管道，設置面發熱，表面溫度分別設置200℃和83℃。

2.2 巡航工況邊界設置

巡航工況邊界設置除以下幾條變更外，其余均和高原地面工況設置相同。

尾艙四周框架外表面蒙皮溫度設置2℃；EMP排氣流量4375L/min和溫度86℃；尾艙尾部隔板外壁面設置恒定55℃；環控APU引氣導管不工作，表面溫度更改為環境溫度。

3 計算結果

通過三維計算獲知，高原地面工況和巡航工況，整個尾艙空氣域平均溫度分別為54℃和23℃，滿足艙室平均溫度的要求（高原狀態最大環境溫度為60℃，巡航狀態最大環境溫度為32℃），巡航工況的安全裕度更大為28%；下一步則需查看兩種工況下EMP周圍環境溫度是否滿足溫度要求；

首先分析，較為嚴酷的高原地面EMP周圍環境溫度，分別取穿過EMP的三個平面分析其附近空氣溫度分布。

圖3YZ切面溫度云圖顯示的是穿過兩個EMP和油箱三個設備的一個空氣域垂直截面溫度分布圖，從中可以看出，兩個EMP和位于其上部的油箱三者位置連成一線與重力方向平行，上部設備將阻礙下部設備散熱空氣的流通，這一布局不利于下部設備散熱，同時還會加熱上部設備；兩個EMP周圍區域的溫度都在60℃以下，在EMP高原狀態的最大環境溫度60℃范圍內。

巡航狀態的計算結果與高原地面狀態相似，不做詳細分析。巡航工況下上部EMP噴出的高溫氣體沖向球面框，到達溫度在60℃左右，對球面框造成熱沖擊的現象依然存在，除上部EMP尾部外，兩EMP周圍大部分區域空氣溫度不超過32℃。

4 結論

本文模擬極熱天環境下高原地面和巡航兩種工況的尾艙溫度場，計算中考慮了自然對流、輻射以及由于EMP排氣引氣形成的強迫對流。計算結果表明兩種工況下，尾艙艙室內平均溫度和EMP周圍環境溫度均滿足要求，但是EMP尾部噴出的高溫氣體直接沖向復合材料的球面框，超過復合材料的耐熱溫度，需要重新布局EMP位置或者增加球面框的熱防護措施。

【參考文獻】

[1]陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2006.

[2]壽榮中，何慧姍.飛行器環境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]朱春玲.飛行器環境控制與安全救生[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[責任編輯：湯靜]