某型APU進氣道優化設計

0 引言

APU的主要功能為向發動機上的空氣起動機提供壓縮空氣、向環控系統提供壓縮空氣以及提供輔助交、直流電源。其進氣系統用于保證在各種工作狀態和工作條件下，提供APU工作所需的空氣，同時對APU艙內的設備和附件進行冷卻。APU艙外的空氣進入艙內后，依靠APU的自吸作用及排氣管的引射作用連續不斷地引入新鮮氣源。

合理的進氣道設計已成為影響APU性能的關鍵因素之一，工程實際中曾出現APU地面起動不成功、APU地面和空中運轉時，出現喘振現象、APU空中起動高度不高等問題，后雖經設計改進解決問題，但其過程耗時較長，嚴重影響系統及飛機設計進度。因此對進氣道進行設計仿真、提前發現并解決可能出現的問題至關重要。

某型APU因進氣形式改變，需重新設計進氣道。根據APU進氣口位置及艙內空間，依次設計了腹下埋入式進氣道及側向皮托式進氣道，對兩種型式的進氣道分別進行設計仿真及優化，仿真結果表明側向皮托式進氣道氣動性能較好，滿足設計要求。

1 進氣道概述

APU進氣道主要用來向其供應所需的空氣，并將迎面流入的高速氣流進行適當減速，使空氣預壓縮，在各種工作狀態下，以最小的流動損失，將足夠量的空氣，引入壓氣機。根據進氣道的功能及要求，通常衡量進氣道的主要性能參數包括總壓恢復系數、沖壓比、畸變指數等。

1.1 總壓恢復系數

1.2 沖壓比

潞新礦區特殊煤巖特性產生的沖擊性載荷導致巷道強礦壓顯現頻發并引起大變形，針對此情況，從煤層地質力學特性出發，運用數值模擬和理論分析，探索巷道變形機理，尋求沖擊性大變形巷道的控制技術。

計算域的入口邊界條件設定為壓力遠場邊界（Pressure far field），計算域出口為壓力出口邊界（Press Outlet），飛機蒙皮及所有進氣道壁面均設置為絕熱，采用無滑移邊界條件，壁面粗糙度為0。

1.3 畸變指數

腹下埋入式進氣道進氣口位于APU正下方，根據APU艙內布局及空間，設計進氣道寬度為235mm，喉道高度為220mm，擴張比為1.2，內通道面積變化采取前緩后急的變化規律，并在內通道彎曲處設置兩塊整流葉片，如

2 數值模擬基礎

2.1 控制方程

控制方程由流體遵循的三大基本物理定律對應的方程而來，三大定律包括質量守恒定律、動量定理（牛頓第二定律）以及熱力學第一定律，對應的方程分別為連續方程、動量方程以及能量方程。對于所有的流動，Fluent都需要解質量守恒和動量守恒方程。當流動包含可壓縮性質時，則需要解能量守恒的附加方程。三個方程組成的方程組則為控制方程，即N-S方程組，通常牛頓流體的所有流動現象都按照N-S方程組所確定的規律進行，以下為三個方程的微分形式。

2.1.1 連續方程

2.1.2動量方程

分析(Analyzing)和評價(Evaluating)：第四學年設置臨床藥物治療學實踐Ⅲ、Ⅳ和模擬藥房實訓Ⅱ[6]，讓學生掌握注射劑的配制、治療藥物監測、藥學信息服務、體格檢查、心肺復蘇、藥學監護等臨床藥學基本技能，利用臨床藥學基礎知識、基本理論和基本技能評價安全、有效、合理、經濟的藥物治療。

2.1.3 能量方程

2.2 湍流模型

層流運動和湍流運動本質上有很大區別，體現在流體力學基本方程組上就是前者的方程組是封閉的，而后者的方程組并不封閉，這是因為湍流運動的方程組中時間平均或網格平均等的存在。CFD中的湍流模型就是為了封閉新未知量而產生的，Fluent中提供了多種湍流模型，對湍流模型的選擇需要考慮待解決問題的類型、流動的物理機理、特定類型問題的以往實踐、要求的精度級別、現有的計算資源和模擬所允許的時間等因素。本文中綜合以上因素，選取SA一階方程作為計算湍流模型，該模型主要應用于空氣動力學流動問題，對內存要求不高，且具有良好的收斂性，能夠保證計算精度。

3 進氣道設計方案

略論財務會計理論與實際相結合創新——高校財會教材適應發展更新 ………………………………… 覃正納 劉迎春（1/72）

3.1 腹下埋入式進氣道

目前亞音速進氣道中，埋入式進氣道具有與APU融為一體，能大幅減小迎風面積，降低迎風阻力的優點，側向皮托式進氣道因長度縮短，具有在設計中易滿足總體布局要求及能夠獲得較高的總壓恢復系數等優點，兩種進氣道設計及性能的研究均受到了廣泛的關注。因此針對該型APU，本文依次設計了腹下埋入式進氣道及側向皮托式進氣道，并對其進行仿真計算，以得出適合的進氣道方案。

3.2 側向皮托式進氣道

側向皮托式進氣道的進氣口位于APU兩側位置，并在進氣道入口處增加一個可以控制開關的外罩，外罩高度為280mm，張角為27°，進氣道寬度為210mm，喉道高度為220mm，擴張比為1.5，在內通道彎曲較為劇烈的部位設置了兩個整流葉片，如圖2所示。

在地質遺跡調查中發現的冰臼大多屬于側洞冰臼，就是冰臼的開口朝向旁側，與山頂部位開口向上的冰臼相區別。朗鄉花崗巖石林地質公園是側洞冰臼分布最多的地區。

4 計算模型

上文的工作為進氣道的優化設計提供了理論方法，但數值模擬還依賴于合理的計算域模型，本章闡述了進氣道計算模型的建立過程，其中包括計算域邊界條件的選取依據和計算域的網格劃分。

4.1 計算域選取

在對流場變量進行求解時，需要使其在計算邊界上滿足一定的數學物理條件，這個條件就是邊界條件。邊界條件和初始條件的聯合稱為定解條件，只有兩者都確定后，流場的數值模擬計算才能成立，并且有唯一解。對APU進氣道外部流動進行數值模擬，需設置的邊界條件包括：入口邊界、出口邊界以及壁面邊界。

4.2 計算域網格劃分

采用ICEM軟件對進氣道涉及內外流場的計算域進行了分區設計和結構化網格生成。在進氣道進口、喉道、擴張段近壁區以及其它型面變化較為劇烈的區域，對網格進行加密處理。最終1/2模型網格單元數目約為560萬。腹下埋入式進氣道計算域網格如圖3所示。

4.3 計算域邊界條件

以腹下埋入式進氣道為例，選15倍氣動弦長的橢圓周面、機身蒙皮、進氣道壁面構成的封閉區域為計算域，計算域內部的流體空間主要介質為空氣。

一是建設三個水循環體系。為緩解平原河網水體水動力條件不足和南部地區缺少清水水源問題，張家港市先后投入近40億元推進骨干河道改造工程建設，建成了中部水循環體系，東部、西部水循環體系正在建設之中。同步推進城鄉二級河網與骨干河道的互連互通整治。二是大力實施水環境綜合整治工程。大力推進河道周期性疏浚，積極開展黑臭河道治理和生態河道創建，強化各類河道保潔措施，大力推進“河長制”。三是實施河道藍線控制。頒布和實施《張家港市河道藍線管理辦法》，對藍線內的土地和水域實施嚴格管理。

5 計算結果分析

5.1 腹下埋入式進氣道

對腹下埋入式進氣道方案進行數值仿真，對稱面的馬赫云圖如圖4所示，此時分離包較小，流場整體較為均勻。進氣道出口截面的總壓分布如圖5所示，由于整流葉片的存在，高總壓區分為兩塊，靠近上壁面，下壁面處總壓較低。在飛行條件下進氣道出口流量近似目標流量的2倍，出口馬赫數為0.202，總壓恢復系數為0.772，沖壓比為1.072，出口畸變為8.7%，進氣道性能較差。

早餐是父親做的，煎蛋、豆漿，還有幾個熱乎乎的包子。我一眼便認出那幾個包子是原來上中學時，校門口那家的。我非常喜歡吃他們家的包子，后來上大學，偶爾回來，父親一大早便騎上自行車，給我買回來。現在，父親老了，騎不動車子了，一定是早上趕了好遠的路才買回來的。

對初始方案進行改進，增大進氣道寬度為245mm，擴張比為1.3，同時為使出口流量接近目標流量，在出口處增加了堵錐，其余參數無變化。在飛行條件下進氣道出口馬赫數為0.232，總壓恢復系數為0.782，沖壓比為1.0918，出口畸變為7.66%。加堵錐后出口流量有效降低，略高于目標流量，但若繼續進錐，使得出口流量進一步下降趨于目標流量的話，計算過程中殘差以及出口流量會產生震蕩，不利于后續的計算，進氣道性能較差。依次改變進氣道寬度為250mm、230mm并進行仿真，進氣道氣動性能均未得到改善，不滿足要求。

5.2 側向皮托式進氣道

對側向皮托式進氣道進行數值仿真，對稱面的馬赫云圖如圖6所示，出口截面的總壓分布如圖7所示。進氣道出口馬赫數為0.130，總壓恢復系數為0.861，沖壓比為1.189，出口畸變為4.1%，可滿足設計要求。相比于腹下埋入式進氣道，側向皮托式進氣道的總壓恢復系數和出口畸變均顯著提高，進氣道氣動性能整體較好，可滿足設計要求。

更改喉道高度為210mm，其它參數不變，對改進后的方案進行仿真，在飛行條件下進氣道出口馬赫數為0.123，總壓恢復系數為0.863，沖壓比為1.196，出口畸變為3.67%。與初始側向皮托式進氣道方案相比，進氣道性能稍有改善。

對凝結水泵進行變頻改造采用手動“1拖2”方式，即每臺機組增加1臺高壓變頻器，正常運行時運行泵變頻運行，備用泵工頻備用，變頻、工頻切換方式為手動切換，一次原理圖如圖2所示。

通過腹下埋入式進氣道及側向皮托式進氣道的仿真計算及對不同設計參數下進氣道性能及流場的研究可知，側向皮托式進氣道的氣動性能較好，且滿足該型APU設計要求。

6 結論

APU進氣系統工作研究是APU設計中的重要環節，本文針對APU依次設計了腹下埋入式進氣道及側向皮托式進氣道，并對其進行了仿真計算。根據仿真結果，側向皮托式進氣道氣動性能可滿足設計要求，但由于結構空間的限制，該型式進氣道進口導流段長度較短，導致拐彎不夠平滑，兩側進氣形式在匯聚之后會增加額外的摻混損失，這些不利因素會導致上游氣流進入內通道之后發生流動分離，導致進氣道畸變增。后續需對關鍵參數的影響開展精細化研究，以獲得較優的進氣道方案。

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