民用飞机尾舱温度场仿真模拟

肖占　简夕忠

【摘 要】本文提供了基于三维模拟软件CFdesign软件进行的民用飞机尾舱的温度场仿真模拟，计算了极热天环境下高原地面和巡航两种工况的尾舱温度场，获取了尾舱内部温度场分布和EMP周围环境温度，并分析了尾舱内部和EMP周围的环境温度是否符合要求，为尾舱设备优化布置提供参考。本文介绍了民用飞机尾舱温度场仿真模拟计算方法，并对模拟结果进行了分析讨论，可以为民用飞机尾舱设计提供一定的参考。

【关键词】民用飞机；尾舱；温度场模拟

0 引言

民用飞机的尾舱，一般为非气密、非温控封闭舱段，存在较多的发热设备，部分设备热载荷在千瓦级，如液压系统的电动泵EMP和辅助动力系统APU引气管，总热载荷近5kW。其中EMP是液压能源系统的主要元器件之一，其合理的工作环境温度是正常工作的必要条件。EMP最大环境温度（本文中认为EMP环境温度为其附近70mm处环境温度）要求为：周围环境温度不超过最大环境温度70℃，其中高原状态最大环境温度为60℃，巡航状态最大环境温度为32℃。

1 物理模型

根据尾舱和内部设备的实际模型的大小和坐标位置，利用等效表面积法进行相应简化，其中液压管路根据其布置汇聚情况简化为7段半径30mm的圆柱，EMP简化为大小不同的两个圆柱组合体，油箱简化为单个圆柱，飞控发热设备简化为立方体等，数模简化后尾舱及其内部设备模型如图1。尾舱四周舱壁均考虑了其本身的厚度影响，在计算中包含了尾舱内部空气与四周舱壁的热传导计算，即传热的流固耦合计算。

计算网格由CFdesign软件自动划分并在各设备处加密，网格数量为513万。

2 计算方法及边界条件

计算中考虑了自然对流、辐射以及EMP风扇强迫对流（计算以排气方式体现，EMP尾部排出高温气体，前部进气，如图1所示）[1]；仅分析与EMP尾部排气温度、排气流量一致的发热体对尾舱环境温度的影响；边界条件：进口流量温度，出口静压；

极热天环境下的高原地面和巡航两种工况条件[2]：

（1）高原地面：高度：14500ft，温度：ISA+40℃

（2）巡航：高度39800ft，温度：ISA+35℃

2.1 高原地面工况边界设置

仅上部的一台EMP工作，计算域进口（EMP排气口）流量2860L/min，温度121℃；计算域出口（EMP进口）静压为0Pa；舱室内流场设置空气变物性（密度随温度变化），不可压缩。

四周各舱壁如尾舱四周蒙皮、前面球面框、尾部隔板设置外表面温度、材料、导热系数和内表面发射率（本文中均设置0.5）。

各发热设备，如油箱设置材料铝合金，设置体发热40W；四个油滤分别发热：20W、14W、5W、5W，材料，铝合金；环控APU引气导管和七段液压管道，设置面发热，表面温度分别设置200℃和83℃。

2.2 巡航工况边界设置

巡航工况边界设置除以下几条变更外，其余均和高原地面工况设置相同。

尾舱四周框架外表面蒙皮温度设置2℃；EMP排气流量4375L/min和温度86℃；尾舱尾部隔板外壁面设置恒定55℃；环控APU引气导管不工作，表面温度更改为环境温度。

3 计算结果

通过三维计算获知，高原地面工况和巡航工况，整个尾舱空气域平均温度分别为54℃和23℃，满足舱室平均温度的要求（高原状态最大环境温度为60℃，巡航状态最大环境温度为32℃），巡航工况的安全裕度更大为28%；下一步则需查看两种工况下EMP周围环境温度是否满足温度要求；

首先分析，较为严酷的高原地面EMP周围环境温度，分别取穿过EMP的三个平面分析其附近空气温度分布。

图3YZ切面温度云图显示的是穿过两个EMP和油箱三个设备的一个空气域垂直截面温度分布图，从中可以看出，两个EMP和位于其上部的油箱三者位置连成一线与重力方向平行，上部设备将阻碍下部设备散热空气的流通，这一布局不利于下部设备散热，同时还会加热上部设备；两个EMP周围区域的温度都在60℃以下，在EMP高原状态的最大环境温度60℃范围内。

巡航状态的计算结果与高原地面状态相似，不做详细分析。巡航工况下上部EMP喷出的高温气体冲向球面框，到达温度在60℃左右，对球面框造成热冲击的现象依然存在，除上部EMP尾部外，两EMP周围大部分区域空气温度不超过32℃。

4 结论

本文模拟极热天环境下高原地面和巡航两种工况的尾舱温度场，计算中考虑了自然对流、辐射以及由于EMP排气引气形成的强迫对流。计算结果表明两种工况下，尾舱舱室内平均温度和EMP周围环境温度均满足要求，但是EMP尾部喷出的高温气体直接冲向复合材料的球面框，超过复合材料的耐热温度，需要重新布局EMP位置或者增加球面框的热防护措施。

【参考文献】

[1]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[2]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[责任编辑：汤静]