基于流固弱耦合算法的某型飞机前起落架舱内温度分析

胡祥龙　屠毅　杨智

【摘 要】本文采用流固弱耦合的方法，计算了某型号飞机前起落架舱内部的温度随飞行过程的变化情况，并分析和解释了舱内温度最高时刻各位置的温度分布情况。本文采用流固弱耦合的方法，极大的提高了计算效率，缩短了计算时间，为其他流固耦合热分析提供了参考价值。

【關键词】前起落架舱；流固弱耦合；温度场

0 引言

起落架系统是飞机上重要的承力部件，对于飞机的安全起飞和着陆发挥着至关重要的作用[1]。然而，起落架系统在工作时会产生大量的热量，如果收放不当，将会导致起落架舱内温度过高，影响其他设备的性能，甚至留下安全隐患。因此，在飞机的设计和优化过程中，必须考虑起落架系统产生的温度影响。

本研究以某型号飞机前起落架舱为例，采用流固弱耦合的方法，分析了在舱内照明灯持续打开条件下，前起落架舱内的温度场分布情况，从而为评估舱内是否超温提供理论依据。

1 前起落架舱温度场计算原理

前起落架舱的三维几何模型如图1所示。前起落架舱与左侧舱室相互连通，计算时需一并考虑。舱内主要散热结构包括轮胎、轮毂、轮轴等，此外，舱内还有三盏照明灯，也会持续向舱内散发热量。

图1 前起落架舱几何模型

在飞行初始阶段，由于机轮等结构的温度较高，机轮系统不断向其他结构导热，并向舱内空气散热。对于舱内空气，由于机轮附近空气的温度相对较高，即舱内空气存在较大的温差，则会产生自然对流换热。上述传热一直持续，直到最终达到热平衡。由以上分析可知，前起落架舱内的传热形式，既包括固体内部的热传导，也包括空气流体的对流传热和导热，而在固体结构和空气之间，也存在相互作用的耦合传热。

由于前起落架舱内的传热为非稳态，且计算网格数量较大，非稳态计算周期很长。为了提高计算效率，本文采取流体固体弱耦合的算法。先根据边界条件对流体区域进行稳态计算，然后将流固接触表面的温度和换热系数等数据传给固体模型，进行固体区域的瞬态计算；待固体区域计算完成后，再将流固接触表面的温度数据传给流体模型进行下一次的稳态计算，之后仔进行固体模型进行下一次的瞬态计算。如此迭代，直至完成全部计算。此方法可以得到较精确的计算结果，并极大地提高计算效率。

2 计算模型和参数设置

2.1 物理模型

计算所用的物理模型主要包括湍流模型、辐射模型和耦合计算模型。其中湍流模型应用N-S方程中的k-ε模型，辐射模型为灰体辐射，耦合计算模型采用Star-CCM+中的Co-Simulation，实现舱内空气与固体结构的的弱耦合热计算。实际计算中，流体每次计算为3000步，固体每次计算为10秒。

2.2 初始条件边界条件设置

边界条件需考虑三个照明灯的发热量、舱壁的导热和对流换热，同时，需设置起落架轮胎、轮毂、轮轴等结构的温度作为仿真初始温度。计算中，轮胎、轮毂、轮轴等结构表面设为流固耦合边界。

3 计算结果

3.1 前起落架舱内温度随时间的变化情况

前起落架舱内流体域平均温度变化情况如图2所示。

图2 前起落架舱内空气平均温度变化

可以看出，起飞初始阶段，前起落架舱内空气的平均温度迅速升高，这是由于机轮等结构的温度很高，释放大量的热量，这些热量远大于舱内向外界传递的热量。之后由于机轮等结构的温度逐渐降低，机轮和灯释放的热量不足以弥补舱内向外界环境释放的热量，所以舱内温度持续降低。

3.2 前起落架舱内温度分布情况

选取舱内空气平均温度最高的时刻，此时温度分布对应最严酷的工况。

为了方便展示前起落架舱内的温度分布情况，选取了舱内4处具有代表性的截面，包括水平截面1处，竖直截面3处（横向截面2处，纵向截面1处）。这几处截面在舱内的位置如图3所示。

a）前起落架舱内空气在水平方向的温度分布

图4所示为舱内水平方向的温度分布。在水平方向，温度总体差别不大，大部分在80℃以下，只有在机轮、轮轴等发热结构附近的温度较高。

b）前起落架从舱内空气在竖直（横向）方向内的温度分布

该方向温度分布如图5所示，可以看出：

1）舱内上侧温度明显高于下侧温度，此现象的原因主要有：第一，当前起落架舱舱门关闭时，舱内空气主要通过自然对流和辐射来传热。在自然对流的作用下，热量向上浮动，使得上侧温度偏高；第二，相比较而言，机轮等高温结构更靠近前起落架舱顶部，从而对顶部的热辐射更强；第三，上侧舱室（驾驶舱）的温度高于下侧舱门位置的温度，尤其是在巡航阶段，舱门外侧的温度为-55℃，而上侧驾驶舱内温度始终保持在24℃左右。

2）轮毂、轮轴、轮胎、灯等热源附近，空气温度较高；

3）同一高度处，左侧蒙皮附近的温度稍高于下侧舱门附近的温度。这是由于蒙皮位置存在隔热层，大大减少了热量向外界环境传递。但是舱门处没有隔热层，热量较容易在此处向外界传出。

c）舱内空气在竖直（纵向）方向内的温度分布

该方向温度分布如图6所示，总体分布规律如下：

1）舱内上侧温度高于下侧温度，原因已在前文解释，此处不再赘述。

2）轮毂、轮轴、轮胎、灯等局部热源附近，空气温度较高。而且，机轮周围较大区域的温度明显升高，而灯附近只有较小的区域温度升高，说明在起飞初期，机轮对周围空气的温度影响大于灯的影响。

4 结论

本研究计算了某型号飞机前起落架舱内的温度随飞行时间的变化情况，重点分析了舱内温度最高时刻的各位置温度分布情况，得到结论如下：

a）前起落架舱内的温度在起飞初期迅速升高，之后逐渐降低。

b）舱内温度最高时刻，顶部区域的温度明显高于底部舱门区域。且在起飞初期，机轮对周围空气的加热程度大于灯的影响。

【参考文献】

[1]高泽迴.飞机设计手册第14分册——起飞着陆系统设计[M].北京：航空工业出版社，2002.

[责任编辑：田吉捷]