民用飛機吊掛通風計算研究

王重

【摘 要】本文基于一種通風計算模型簡化方法和一維定常可壓縮流體原理，對民用飛機吊掛隔艙的通風量進行了計算和分析。該方法計算效率較高，可為吊掛通風設計方案的權衡研究提供有效的理論支持。

【關鍵詞】民用飛機；吊掛；通風；可壓縮流體

0 引言

民用飛機在設計中會通過總體布局來將機體內部分割成若干個不同功能的隔艙。這些隔艙中一部分由機載空調系統直接或間接地進行供氣增壓，故其被稱為增壓艙或氣密艙；另一部分隔艙則不被供氣增壓，則被稱為非增壓艙或非氣密艙。為防止增壓艙的增壓空氣不可控地流入非增壓艙，在兩種隔艙交界的位置設置有專門的氣密隔框。非增壓艙在設計時，為滿足艙內溫度需求或艙內防火需求，一般需設置專門的通風路徑。

民用飛機吊掛是機體內隔艙之一，功能是用來連接飛機發動機和機翼（發動機翼吊構型飛機）或機身（發動機尾吊構型飛機）。因為和發動機直接連接，吊掛在設計中需要滿足飛機火區的有關設計要求。運輸類飛機適航標準CCAR 25.1187（b）條款規定：“每一指定的火區必須通風，以防可燃蒸氣累積。”[1]在民用飛機的設計中，一般需保證吊掛內部的分鐘通風量達到5倍內部被通風體積。[2]

吊掛內部結構和通風路徑的設計是一個不斷迭代的過程，需要綜合考慮內部系統設備的安裝布置要求和通風需求。因此一套高效的通風計算方法是完成吊掛通風設計的重要保證。本文將基于吊掛計算模型簡化和一維定常可壓縮流體原理，對吊掛通風量進行計算和分析。

1 計算案例

圖1為一典型發動機尾吊構型民機的吊掛下蒙皮。由圖可見該型飛機吊掛主要通過開設的2個進氣口和1個出氣格柵進行通風，另外還有18個排液孔可起到一定的通風作用（本文中忽略）。吊掛內部由內外側封閉肋和后梁封閉面隔離出容納系統設備和管路的獨立空間（圖一中用綠色線框框出）。

2 計算方法選擇和模型簡化

對于該計算案例，比較常見的計算方法為CFD建模計算，通過模擬吊掛內外流場計算出通過吊掛內部的總通風量。但在設計初期，結構形式和內部系統布置往往需要大量的設計迭代和更改，每次更改均需進行CFD建模調整和重新計算，工作量和工作耗時較大。

因此提出一種基于一維定常可壓縮流體原理的計算方法，該方法可將吊掛的通風簡化為一維流動模型。以本文的計算案例為例，將吊掛被通風區域作為研究對象，只考慮2個進氣口和1個出氣格柵作用的情況下可得出簡化計算模型如圖2。

3 計算原理

在圖2的簡化計算模型中，吊掛內氣壓穩定為，氣流溫度等于外界大氣溫度T。進出口壓力為吊掛外表面氣流壓力。

4 計算輸入處理

對于進氣口和排氣口的通風面積，可通過對開口面積直接測量并乘以經驗系數的方法，最終得出有效通風面積。一般工程上可使用0.8左右的經驗系數。

對于進出口的氣流壓力，可從飛機整體氣動性能計算的結果中進行相應的壓力提取。需要注意的是，在計算時應充分考慮各種典型的飛行工況，計算點狀態需包含各典型的飛行高度和飛行速度、以及飛行姿態和外界環境條件。以此得出全面的計算分析結論。在實際設計中，有的進氣口還設置了專門的進氣喉道，此時在處理壓力計算輸入條件時還需乘以喉道的總壓恢復系數，即考慮喉道造成的進氣壓損。

為簡化計算，可直接選擇當地大氣溫度作為通風的進氣溫度；吊掛內部的通風區域體積則直接取外部蒙皮和內部結構封閉肋和封閉面所包裹的空間體積，如圖3所示。顯然該情況下被通風體積將大于考慮內部系統和設備情況下的實際內部體積，是一種保守的計算輸入處理方法。

5 結果計算

明確了計算原理和計算輸入后，即可對通風結果進行計算。圖4為使用Matlab-Simulink軟件進行的建模，在定義了計算輸入條件后，利用迭代法求解出各計算工況下穩態通風狀態的吊掛內氣壓和體積通風量。

6 結果分析

在求解出各計算工況下的吊掛內體積通風量后，可檢查其是否滿足全工況下均大于吊掛內部被通風體積的5倍。對于部分地面工況，因飛機運動速度較低，一般無法提供足夠的通風量，但該部分工況下通風量小于5倍吊掛內部被通風體積在設計中可接受，不會影響設計對適航要求的符合性。

另外，在進行定量分析的同時，還應對吊掛內部的通風路徑進行定性分析。檢查設計中是否存在因設備布置不合理而造成的內部通風受阻或形成通風“死區”的情況，即通過定性分析來檢查吊掛內部的通風效果。

在定量分析和定性分析完成后，即可得出對當前吊掛通風設計方案的評估結論。

7 結束語

在各型號民用飛機的設計工作中，吊掛結構設計、吊掛內部布置設計以及通風設計是一個不斷迭代的過程。本文提出了一種通風計算模型簡化和基于一維定常可壓縮流體原理的計算方法，可高效地估算出當前設計方案下吊掛的通風量和通風效果，為設計方案的權衡研究提供有效的理論支持。其在工程設計初期具有很高的實用性，可與方案初步定型后的CFD計算相結合，形成一套完備的吊掛通風設計和校驗方法。

【參考文獻】

[1]中國民用航空局.中國民用航空規章第25部-運輸類飛機適航標準[Z].2011.11.07.

[2]陳卓如.工程流體力學[M].北京：高等教育出版社，2013：388-392.

[責任編輯：朱麗娜]endprint