基于FLUENT的不規則和復雜導管設計

喬旭東，江建東，侯鑫新，姚賀龍

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

規則和復雜導管設計，簡化復雜的和不規則管路結構的設計流程，從而節約生產成本。

隨著機載設備日益復雜化、集成化，其冷卻問題也隨之而來。環控系統作為機上主要的冷卻系統，需按照不同的機載設備冷卻要求，為其進行冷卻。而空氣循環制冷作為主要的制冷方式廣泛應用于各種型號的飛機上，環控系統通過導管將冷卻空氣供往不同的機載設備，以滿足其使用要求。管路在設計過程中，由于設備接口及安裝空間等限制，容易出現復雜的和不規則的管路結構，無法通過理論計算和工程計算來確定管路內的流動特性。該種形式的管路設計，大多采用設計與試驗相互迭代的方式進行，設計周期長，而且生產成本高。本文主要介紹基于FLUENT的不

1 概述

雷達作為機載設備之一，環控系統通過雷達通風子系統為其冷卻，以改善雷達工作環境，保證其可靠性及使用壽命。某型飛機雷達通風采取了利用座艙排氣對雷達進行通風冷卻的技術，座艙排氣流量全部供往雷達用于其冷卻。供往雷達的通風導管結構如圖1所示。系統要求雷達通風子系統的供氣流量不小于300kg/h，且流阻不大于9kPa。

安裝該結構形式導管后，雷達通風子系統的流阻無法滿足系統使用要求。通過分析得知，由于座艙排氣流量（600kg/h）全部供往雷達進行通風冷卻，雖然通風流量滿足雷達冷卻要求，但由于供氣流量過大，雷達通風子系統的流阻指標無法滿足要求。

圖1 雷達通風導管結構示意圖

圖2 未開孔雷達通風管計算網格

降低雷達通風子系統的流阻主要有如下三種方法：

1）優化雷達通風導管的結構；

2）優化雷達端冷風通道的結構；

3）減少通往雷達端的通風流量。

由于雷達本身的設計限制，自身結構優化比較困難。此外，雷達通風導管受限于機頭段的結構形式以及空間布局，無法對管路結構進行優化，因此，通過優化雷達冷風道和雷達通風導管的結構形式來降低流阻的方法難以實現，只能通過減少供往雷達的空氣流量的方法實現。

結合飛機結構布局，采用在雷達通風導管上增開一圓孔，通過設計調整圓孔的位置及直徑、排出部分空氣的方式，減少供往雷達的空氣量，以達到降低系統流阻的目的。該方法可行性高，但由于雷達通風導管形狀不規則，無法對其流阻特性進行準確計算，傳統辦法只能在雷達通風導管上先初步確定位置，然后通過試驗確定開孔大小，中間需多次調整開孔尺寸，最終確定雷達通風導管的開孔大小。而通過FLUENT對雷達通風管進行仿真計算，則可以有效縮短整個設計周期，避免了重復性試驗。

2 仿真分析與計算

2.1 開孔位置分析

通過計算先確定管路中流阻的分布情況，再根據流阻的分布，確定開孔位置。計算網格如圖2所示。

湍流模型：計算采用Fluent分離隱式求解器進行穩態求解，選用標準雙方程湍流模型加標準壁面函數；密度、動量、湍流動能以及能量等模型的離散格式均為二階迎風。解收斂的標準是各項殘差精度均小于10-4，殘差曲線趨于平直。計算狀態與表1中狀態相同。壓力云圖如圖3所示。

圖3 未開孔情況下雷達通風管壓力云圖

計算結果表明，雷達管流阻主要集中于收縮段（圖3中顏色變化區域），所以開孔位置應避開此區域，選在流阻變化緩和、開口位置與入口壓差小的區域，可盡量減小系統管路流阻。結合管路結構上的安裝和開孔的難易程度，開孔位置定在雷達通風管平直段內側區域，具體如圖4所示。

圖4 通風管開孔區域示意圖

2.2 開孔尺寸迭代

仿真計算時，假定開孔尺寸初始值為35mm，結合仿真計算結果對開孔尺寸進行迭代優化計算。

1）雷達飛機通風管結構如圖1所示，計算狀態參數如下。

地面狀態下，P地面=101kPa；G入口=800kg/h；P入口=113kPa；T供氣=10℃；P出口=108kPa；

開孔后供氣導管模型如圖5所示。

圖5 開孔后通風管模型

根據開孔的雷達通風導管進行網格劃分，網格模型采用非結構化局部加密的四面體網格，共計598187個網格。網格模型如圖6所示。

圖6 通風導管網格模型

計算采用Fluent分離隱式求解器進行穩態求解，選用標準雙方程湍流模型加標準壁面函數，密度、動量、湍流動能以及能量等模型的離散格式均為二階迎風。解收斂的標準是各項殘差精度均小于10-4、殘差曲線趨于平直（見圖7）。

圖7 計算結果殘差圖

2）邊界條件：

計算域邊界條件設置：入口為流量入口，出口及開孔均為壓力出口，管路表面為恒壁溫、無滑移條件。

進口總壓：112580Pa；

進口溫度：282.6K；

開孔總壓：102540Pa；

開孔溫度：282.6K；

出口壓力：108420Pa；

出口溫度：282.6K；

固體材料：鋁，粗糙度：0.5um；

流體：空氣，理想氣體狀態。

3）仿真計算結果：

出口流量：336.56kg/h；出口壓力：108250Pa；開孔處流量：463.44kg/h；開孔處壓力：102500Pa。

雷達通風管上開直徑D=41mm的孔后，座艙排氣流量800kg/h條件下，雷達通風流量為336.56kg/h，壓力為102570Pa（見圖8），開孔處流量463.44kg/h。雷達通風子系統的通風流量與流阻均滿足系統要求。

圖8 供氣導管開孔后壓力云圖

2.3 試驗驗證

通過仿真計算，在雷達通風導管開孔區域開出直徑D=41mm的圓孔，能夠滿足雷達供氣流量要求。按照仿真結果對雷達通風管進行結構優化并進行試驗，試驗結果表明，按照仿真計算的結果進行開孔后，流量滿足雷達通風需求的條件下，雷達通風管流阻不大于9kPa的使用要求，試驗數據如表1所示。

表1 雷達通風阻力特性試驗數據一覽表 P大氣壓=102.57kPa

2.4 對比分析

仿真計算的結果與試驗基本相符，仿真計算結果為336.56kg/h，試驗流量為331.1kg/h，誤差為1.65%。仿真結果與試驗結果基本相同，且系統總流阻為8.11kPa，滿足系統設計要求。

3 結論

在環控系統設計過程中，針對形狀不規則和結構形式復雜的導管，可以基于FLUENT進行輔助計算，可以提高設計效率并節約生產成本。