某大型環境艙流場及溫度場仿真計算

張新太　孫江平

【摘 要】本文提供了基于STARCCM+軟件的某大型環境艙流場和溫度場仿真模擬，分別計算和分析了極冷、冷、熱和極熱四類工況條件下的艙內溫度均勻性。結果表明，在艙內未放置試驗件（飛機艙段）和內熱源（日照模擬設備）的情況下，采用全面孔板送風的方式可以保證在上述四類工況下核心區域溫差均小于1℃，即可以保證該環境艙空載狀態下的溫度均勻性，本文的計算結果對該大型環境艙的設計具有一定的參考意義。

【關鍵詞】環境艙；溫度均勻性；孔板送風

0 引言

某大型環境艙，用于營造飛機外部溫度環境，開展高低溫工況下的飛機環控系統性能測試試驗及飛機艙內熱舒適性試驗。對于該環境艙，溫度均勻性是其中一個非常重要的技術指標，直接決定著該環境艙模擬飛機外部溫度環境的真實性與可靠性。為保證環境艙具有較好的溫度均勻性，一般采用全面孔板的送風方式，本文針對該送風方式對環境艙內流場及溫度場進行仿真計算，驗證其溫度均勻性，為該環境艙的詳細方案設計提供參考。

1 計算模型

1.1 物理模型及網格

該大型環境艙的物理模型見圖1，主要特征及技術指標如下：

a）環境艙直徑為10m，長度為24m（其中等直段長度為20m、前后橢圓形密封門長度各2m），采用下沉式設計，下沉量1.5m，頂部送風腔高度為1.5m；

b）受限于環境艙安裝場地高度限制，無法采用頂部送風的方式，采用側上送風和同側側下回風的通風方式；

c）環境艙頂部設送風孔板，兩端密封門處設擋板以封閉送風腔，送風頂板總面積f=L×W=20m×6.57m=131.4m2，孔板直徑選取d=10mm，間隔為Δ=100mm，在送風頂板上共均勻布置N=199×65排孔，孔口總面積為fk=N×πd2/4=1.0159m2，凈孔面積比K=fk/f =0.8%（見圖2）；

d）艙內地板與外部地板齊平，兩側各開0.2m×20m通風槽一個；

e）暫不考慮環境艙內部放置試驗件（飛機艙段和日照模擬設備等）的工況，僅對空置的環境艙內部流場及溫度場進行計算。

劃分網格時采用非結構網格，使用多面體網格生成器及棱柱層網格生成器方法，形成空間體網格及表面邊界層網格，網格全局尺寸設置為0.2m，對孔板、地板通風口、送風入口、排風出口等處進行局部加密，最終生成體網格數量約510萬（見圖3）。

1.2 數學模型及邊界條件

計算時僅考慮穩態工況，采用K-Epsilon湍流模型，入口采用速度進口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，其余部分均采用壁面邊界條件，環境艙艙體表面設置熱流量邊界條件。按照環境艙內部需要營造的溫度分為四類工況進行計算，各工況的定義及相應入口邊界條件和艙體表面熱負荷/冷負荷見表1。

2 仿真計算結果及分析

按照上述各類工況及邊界條件進行計算，計算結果分析如下。

2.1 流場及溫度場特征

以極冷工況（XC）為例，在X=0和Y=0兩個豎直截面上，流線及溫度場分別見圖4和圖5，綜合兩者的結果，可以得出：制冷空氣在通過進風入口后，在送風孔板以上空間內沿軸向（X方向）流向兩側，由于送風孔板具有較大的阻力，氣流在該頂部送風腔內速度降低并形成靜壓腔，在靜壓作用下，氣流通過孔板流向環境艙主體部分，并在該區域內形成多個渦，之后氣流經過地板通風口流向地板下回風區域，最終經過排風出口排出環境艙外。環境艙內地板至頂板間區域內的溫度變化并不大，這是由于孔口布置較為均勻，且孔口總面積較小，根據質量守恒定律，得出孔口平均速度約為14.0m/s，該流速遠大于一般孔板送風流速，采用該較大流速可增大孔板送風的射程，使得射流混合更為均勻，增強環境艙內部的傳熱效果，從而提高了艙內溫度均勻性。

2.2 不同工況溫度均勻性比較

為評價環境艙內部的溫度均勻性，提出距艙體壁面、頂板和地板均有一定距離的核心區域的概念：定義-9≤X≤9、截面為圖4所示的區域為核心區域，取核心區域的頂點、面中心和體中心為研究對象，得到不同工況下的各點溫度、速度見表2。

不同工況下核心區域內各點溫度對比見圖7，對于計算的四類工況，核心區域內各點的溫差ΔT均小于1℃，表明采用全面送風孔板可保證環境艙空載狀態下（無飛機艙段試驗件和日照模擬設備內熱源）良好的溫度均勻性。

環境艙內放置試驗件（飛機艙段）時，由于試驗件體積較大，放置試驗件后環境艙水平截面上阻塞比較大，將顯著改變環境艙內的流場；而放置內熱源（日照模擬設備）時，由于內熱源熱負荷較環境艙散熱量更大，放置內熱源后會顯著改變環境艙內的溫度場。因此，環境艙內放置飛機艙段和日照模擬設備后，將對艙內溫度均勻性產生較大影響，具體影響的程度需要后續的分析計算。

3 結論

在環境艙內未放置飛機艙段和日照模擬設備（內熱源）的情況下，采用全面孔板送風的方式可以保證在極冷、冷、熱和極熱四類工況下核心區域溫差均小于1℃，即可以保證該環境空載狀態下的溫度均勻性。放置飛機艙段和日照模擬設備時，由于飛機艙段造成的堵塞效應及日照模擬設備帶來的較大熱負荷，會對環境艙內的流場和溫度場造成較大影響，其影響程度有待進一步分析。

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[責任編輯：朱麗娜]