某APU模拟舱段引射优化设计

阎佩佳 郝琳昭 彭冲

摘 要： 通过对某APU模拟舱通风冷却系统进行合理简化，建立3维模型，通过数值模拟排气口大小、形状及与APU尾喷口位置关系的变化对环境舱通风冷却系统的影响，通过对计算结果多元回归分析，发现排气口直径变化相对其他两项变化对引射性能影响较为明显，且在尾喷口速度一定时存在某确定极值点。

关键词： 辅助动力系统（APU）；引射冷却；数值模拟；多元回归

1.引言

Auxiliary Power Unit辅助动力装置，简称APU，是一台燃气涡轮轴发动机，安装在大、中型飞机上和大型直升机上，向飞机独立地提供电力和压缩空气来启动发动机，也可保证客舱和驾驶舱内的照明和空调。APU，通常安装在机身内部的APU舱内，当APU工作时舱内温度较高，为了保障APU及其附件工作环境温度合适，APU舱通常具有通风冷却功能。根据APU排气口射流强的特点，APU舱通常通过引射冷却的方式吸入冷空气冷却舱内设备，并通过排气口排出机外[1]。

APU模拟舱段用于APU地面实验时模拟APU真实工作环境。保证APU地面实验环境与飞机上一致，故此舱段也需设计引射冷却系统，为优化此冷却系统，本文通过对简化的3维模型用ansys cfx商用软件进行数值模拟，确定排气口最优形式。

2.计算模型设计

图1所示为建立的模拟舱段简化模型[2]，由APU模拟管段的APU进口、尾喷口和模拟舱段的引气进口、舱段、排气管段、排气口组成。根据需分析结构的变化形式，将V23尾喷口和排气口的距离、R25排气口入口弧度及H19尾喷口排气口半径差进行参数化设置，方便计算数组的生成和设置。

3.网格划分和边界设置

图2为对模型采用mash模块进行网格划分后的结果，为保证计算结果精确，APU喷管及射流边界位置网格密度较高。

在CFX-Pre模块下设置数值模拟的计算域，首先流体采用可压缩理想气体，传热方式设置为全热模型适用于可压缩气体的流动传热计算，湍流模型采用k-Epsilon。边界条件有、墙体、APU入口、引射入口、出口及对称面5个[3]，如图2所示。

根据往期实验测得APU排气口全压为105kPa，静压为94kPa，计算的动压为11kPa，根据以下公式，

P=0.5ρv^2 （1）

式中，P为动压，单位为Pa；ρ为空气密度，按1.29kgm^-3；v为空气流速单位为ms^-1。

计算的排气口空气流速为130ms^-1。故给定APU入口为流速130ms^-1的入口形式，按照经验设置入口空气温度为500K。引射入口设置为开放口形式，温度为300K。出口设置为出口形式。

舱段模型变换时以上边界条件均不变化。

4.计算结果分析

4.1流场分析

图3、图4和图5分别给出了对称面的温度云图、对称面的速度云图和从引射入口开始的流线图。

从图中可以看出模拟舱内温度交换发生在舱和排气管内，冷空气进入舱内降低舱温后在排气管被剧烈加热，可以有效降低舱温。

计算域内尾喷管和排气管段流动最高，在接近尾喷口的位置流速梯度最大，剪切力引发引射减小了实际流通面积，故流速在此处有所升高。被引射的气流在引射气流入口处流速较高，故可在此处设置需散热的附件或散热器。

从引射入口的流线图可以看出引射气流，在舱体内流向较为复杂，但基本引发舱体内各个部位的气体流动，可均匀有效降低舱温。

4.2 各形变的影响

图6给出了在排气口和尾喷口距离（V23）分别为15mm、10mm和5mm时排气口入口弧度（R25）在50mm、60mm和70mm时引气流量的变换情况，可以看出不同距离流量变化约为1.1%，而不同弧度带来的变化约为3.6%。

所以将距离（V23）弱化，将分析不同弧度（R25）下尾喷口排气口半径差（H19）带来的引气流量变化。图7给出了变化结果，不同弧度的变化约为4.1%，而不同半径差引起的变换约为40.9%，所以将半径差作为设计比较的重点，试验中将设计加工最差的30mm和最优的80mm进行试验比较，将进一步验证数值模拟的结果，为方便加工选取入口弧度为60mm。

4.3引射结果分析

引射空气流量大小决定了引射冷却性能的好坏，本文引入引射流量比β[4]作为衡量引射性能的指标，其定义如下：

β=m2/m1 （2）

其中m2代表冷却空气流量，m1代表APU射流流量。可见引射流量比能反应引射冷却性能的好坏。经计算β的最大值约为8.9%，效果较好[5]。

引射的驱动因素分为两种：一种是通过粘性剪切力，把高速流动的动量和能量传递给低速流动；另一种是由于低速流动的下游速度提高，压力减小，产生压力梯度把上游的低速气流吸进来[6]。随半径差的不断增大，引气流量先急剧上升，后缓慢爬升在半径差为80mm后达到最大，之后开始下降。当半径差不断增大时，被剪切力影响到的空气量不断增大，引射流量随着增大，但到一定情况下随半径差再增大压力梯度被被弱化，压力差变小，引射量随之减小。

5.结论

本文建立了APU模拟舱段的三维模型。通过设置可能引起引射量变化的尺寸参数，并确定变化量，经过数值模拟，得到以下结论：

（1）模拟舱段结构可在APU工作时发生引射效应，可实现舱内通风冷却的要求。

（2）尺寸参数中半径的变化对引射量的影响最大。随半径差的不断增大，引气流量先上升，在80mm后达到最大，之后开始下降。当半径差不断增大时，被剪切力影响到的空气量不断增大，引射流量随着增大，但到一定情况下随半径差再增大压力梯度被被弱化，压力差变小，引射量随之减小。

参考文献

[1]王长宏.飞机辅助动力系统[J].《江苏航空》 ，1989 （2） ：18-20.

[2]徐让书 ，沙朋朋 ，张娜娜等. 客机APU舱温度场的数值计算[J].沈阳航空航天大学学报 ，2012 ，29 （3） ：1-4.

[3]魏锦洲，吕美茜，王京.APU通风冷却系统温度测量与分析[J].工程与试验，2011 ，51 （2） ：11-13.

[4]张靖周，单勇.二维引射-混合器流場的数值研究与验证[J].航空动力学报，2002，17（5）：524-527.

[5]刘大，李传鹏.尾喷口位置变化对APU通风冷却系统引射冷却性能的影响[J].科技信息，2011 （24） ：722-723.

[6]王国辉，蔡体敏等.火箭基组合循环发动机引射模态流动分析[J].推进技术，2002，23（4）：298-302.