民用飛機APU排氣尾跡影響分析

藍天 周成思

【摘 要】對民用飛機輔助動力裝置（APU）排氣尾跡影響區域進行了研究，通過三維數值分析方法，采用商業CFD計算軟件Fluent，選用Standard k-omega湍流模型，計算分析了某新型飛機APU排氣尾跡的溫度和速度分布；以及在某改裝方案中APU向下排氣尾跡對地面產生的影響，為方案評估提供依據。

【關鍵詞】民用飛機；APU；排氣尾跡；噴流；CFD

中圖分類號： V223.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0040-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.020

【Abstract】In order to study civil airplane Auxiliary Power Unit （APU） Exhaust Plume influence area， three dimension numerical computation are used based on commercial CFD software Fluent. A new type airplane APU exhaust Plumes temperature and velocity field were calculated by chosen Standard k-omega turbulent model. And we also calculated the APU exhaust downward plume for certain test configuration purpose， and provided a support for this test configuration evaluation.

【Key words】Civil airplane； APU； Exhaust plume； Jet flow； CFD

0 引言

輔助動力裝置（Auxiliary Power Unit，簡稱APU），是一臺小型燃氣渦輪發動機，其主要功能是為飛機提供引氣和發電，目前在商用運輸類飛機中運用十分廣泛，是現代民用客機必不可少的機載系統。它通常布置在飛機的尾部，APU產生的高溫熱排氣直接從飛機尾錐末端排出。對于APU排氣系統設計的主要要求是（1）應盡可能使APU排氣順暢，減少排氣損失，因此通常采用直管排氣；（2）熱氣排放過程中應確保安全，不能在機身內或機身外引起著火，熱排氣也不能對地面人員產生危害，因此通常向后、向側或斜向上排氣。在現有民用客機的維修手冊通常也會給出APU熱排氣的影響區域，供地面人員進行安全地維修和機務工作。

本文對某新型飛機設計構型的APU熱排氣跡進行了CFD數值模擬分析，得出了設計構型下熱排氣尾跡的溫度分布和速度分布。同時，本文對某改裝構型APU向下排氣的方案進行了計算分析，得出了APU向下排氣構型的溫度分布和速度分布，給出了對地面人員的安全區域，為改裝方案的評估提供了依據。

1 計算模型

采用Fluent軟件的求解器對計算域進行數值模擬，求解粘性定常三維N-S方程組。湍流模型選擇標準k-omega模型及標準壁面函數，采用SIMPLE算法進行穩態計算，時間差分采用一階完全隱式格式，空間差分采用二階迎風格式。

計算模型主要包括飛機尾錐、尾錐內排氣管道以及遠場邊界，其中排氣管包括直管向后排氣和彎管向下排氣兩個模型。尾錐長度約1.15米。直排氣管道斜向上與水平面夾角約為8°，彎管下排氣出口離地高度約3.5米。入口邊界條件取APU排氣出口氣動參數，并考慮與冷卻氣流完全摻混后，采用質量流量入口邊界條件，計算域下邊界按照地面考慮為壁面邊界，其余四周和上邊界按照壓力遠場邊界。計算工況按照熱天海平面大氣條件，以及APU最大功率工作情況設定，具體計算邊界條件及相關參數如表1。

2 計算結果與討論

2.1 直排氣尾跡計算分析

圖1展示了直排氣尾跡的溫度分布，圖中末端約在排氣出口6.5米左右，實際計算域遠場距離排氣出口約18米。排氣尾跡中心溫度在2米下降至600K，5米下降至450K，6.5米下降至400K，約在12米后下降至340K以下（圖中未顯示）。地面維護人員在排氣口下方1米以外區域工作無安全影響。

圖2展示了直排氣尾跡的速度分布，相對溫度的影響區域，速度的影響區域更窄。排氣尾跡中心速度從出口處約95m/s，2米處下降至60m/s，4米處下降至30m/s，5.5米處下降至20m/s。

2.2 下排氣尾跡影響分析

為滿足某測試改裝需求，排氣管改為彎管下排氣，并對其尾跡影響進行了計算分析。圖3為下排氣尾跡的溫度分布，圖中排氣中心距離地面1米處溫度超過400K，排氣中心距離地面2米處溫度接近550K。在排氣中心線3.5倍排氣出口直徑以外空氣溫度可達350K以內，在排氣中心線6.5倍排氣出口直徑以外空氣溫度可達330K左右接近環境溫度。

圖4為下排氣尾跡的速度分布，圖中排氣中心距離地面1米處速度約為20m/s。，排氣中心距離地面2米處速度約為50m/s。在排氣中心線2倍直徑以外空氣速度低于10m/s，在排氣中心線2.5倍以外空氣速度低于5m/s。

根據上述分析，如采用改測試改裝方案，建議排氣出口前方1米、側方2米、后方10米的區域面積外為安全區域。

3 結論

通過對APU排氣尾跡直排氣（設計構型）和下排氣（改裝構型）的計算分析研究，得到結論如下：

（1）APU排氣尾跡在排氣出口2米內的速度和溫度梯度較高，在5米后的溫度速度梯度較小，15米后的排氣溫度和速度的影響可以忽略。

（2）對于APU排氣尾跡，排氣溫度較高，速度相對較低，且排氣尾跡的溫度影響區域比速度影響區域更寬。如考慮對人員安全的影響，可以主要以安全溫度的影響作為參考。

（3）對于測試改裝方案的評估，本文分析了下排氣尾跡對地面的影響，考慮避免高溫高速氣流可能對人員造成的危害，給出了建議的安全區域。

【參考文獻】

[1]藍天，陳韡等.民用飛機APU整合式尾錐消音器熱分析[J].中國科技縱橫.2014（11）：62-63.

[2]張強，唐宏剛，李傳鵬等.噴流速度對引射器特性和APU性能的影響[J].科技信息.2011.