基于CFD仿真的民用客機空氣分配系統混合腔性能研究

曹祎　屠毅

【摘 要】以STAR-CCM+軟件為計算平臺，本文對某民用客機混合腔構型的混合性能、壓降及溫度損失進行研究。結果表明，空氣通過混合腔產生的最大壓降小于設計要求的最大壓降值1mbar，空氣通過混合腔本體產生的溫度損失為0.55K，滿足設計要求。

【關鍵詞】混合腔；壓降；溫度損失

0 引言

民用客機空氣分配系統主要負責將一定流量、溫度和壓力的空調供氣，通過低壓管路輸送至飛機客艙及駕駛艙區域，以滿足座艙通風、增壓和溫度調節的要求。混合腔作為飛機空氣分配系統中的重要部件，主要功能是將制冷組件的新鮮空氣與再循環空氣充分混合后供往飛機的各個艙區[1]。衡量混合腔設計優劣的主要指標包括：冷熱空氣混合的均勻度、空氣流經混合腔所產生的壓降及溫度損失。為保證飛機具有較高的經濟性，要求進入混合腔的空氣充分混合的同時，產生的壓降和溫度損失均能符合設計預期。

本文以民用客機混合腔為研究對象，采用STAR-CCM+軟件對混合腔內的流場及溫度場進行研究，分析此混合腔構型的混合性能、壓降及溫度損失，驗證混合腔的設計是否滿足需求。

1 工作原理與設計需求

1.1 工作原理

混合腔的入口為制冷組件接口和再循環系統接口，氣源為來自制冷組件的新鮮空氣與來自客艙的再循環空氣。空氣通過混合腔后，經分配管路輸送至飛機客艙及駕駛艙區域，客艙以再循環艙為界分為前、后兩個艙室，個人通風為單獨送風，因此混合腔出口包括與前客艙接口、與后客艙接口、與個人通風接口及與駕駛艙接口。由于客艙供氣量較大，為便于對客艙供氣流量進行分配，混合腔所有進出口除與駕駛艙接口外，均設置為左右側各一個。混合腔共計4個入口，7個出口，具體設計外形如圖1所示。

1.2 設計需求

為保證空氣分配系統的性能，對混合腔的設計指標提出了以下需求：

1）空氣從入口至混合腔出口整個混合階段產生的最大壓降小于1mbar；

2）空氣從混合腔預混段出口至混合腔出口產生的最大溫降小于1℃。

2 仿真計算

2.1 網格劃分

采用多面體網格劃分法劃分模型，邊界層設置為3層，對內部孔板、擋板等局部細節區域進行加密處理，模型的網格劃分如圖2所示。

2.2 邊界條件

（1）混合腔入口設置為質量流量入口。每個制冷組件供氣入口流量為0.45kg/s，溫度為0.9℃；每個再循環供氣入口流量為0.297kg/s，溫度為29℃。

（2）考慮地面狀態，混合腔出口設置為壓力出口，壓力值為101325Pa。

（3）混合腔本體設置為對流邊界，依據混合腔外部隔熱層材料和厚度，計算得到等效傳熱系數值為2.815W/m2·K[2]。

2.3 仿真結果及分析

2.3.1 混合腔流場分析

2.3.2 混合腔性能分析

混合腔的性能指標主要包括空氣從入口至混合腔出口整個混合階段產生的壓力損失及空氣從混合腔預混段出口至混合腔出口產生的溫度損失，其中混合腔預混段為將來自制冷組件的空氣與再循環空氣進行初步混合的裝置。本文通過評估混合腔進出口間的壓力損失及預混段至出口處的溫度損失，對混合腔進行性能分析。混合腔各入口與出口間的壓差值如圖4所示。混合腔進出口的溫度值如圖5所示。

由計算結果可知，空氣通過混合腔產生的最大壓降小于設計要求的最大壓降值1mbar，小于設計要求的最大壓降值1mbar。混合腔預混段出口平均溫度為283.02K，混合腔出口平均溫度為283.57K，空氣通過混合腔本體產生的溫度損失為0.55K，小于設計要求的最大溫度損失1℃。

3 結語

本文基于STAR-CCM+軟件，對某民用客機混合腔構型的混合性能、壓降及溫度損失進行研究。空氣通過混合腔產生的最大壓降為709.07Pa，空氣通過混合腔本體產生的溫度損失為0.55K，滿足設計要求，此研究為混合腔的設計提供了重要支持。

【參考文獻】

[1]張存.基于CFD仿真的某大型客機混合腔設計[J].中國科技信息，2014（14）： 39-40.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：459-466.

[責任編輯：朱麗娜]