基于LBM的直升机设备舱进排气口优化设计研究

张晓星，田旭

基于LBM的直升机设备舱进排气口优化设计研究

张晓星，田旭

（中国直升机设计研究所，江西景德镇333001）

为提升直升机设备舱的通风散热能力，采用格子-玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method，LBM）对不同构型进排气口组合的直升机设备舱简化模型进行了数值模拟分析。通过对比分析不同优化设计方案进气流量及温度分布，给出了斜切处理的进气口外罩进气效率更高，斜切处理的排气口外罩能使排气口排气效率提高的结论。

直升机；设备舱；格子-玻尔兹曼方法；数值模拟；通风散热

现代直升机的发展日新月异，其任务需求愈加繁多，其中武装直升机尤为如此，多功能化、高生存能力、全天候作战缺一不可[1]。为满足武装直升机复杂任务需求，航空电子系统的性能及技术水平飞速发展。如今，航空电子系统处在高度综合的发展阶段[2]，但航电系统的高度集成化在提升作战性能的同时，也带来了设备功率高、散热量大、发热点集中，进而导致了设备舱温度过高的问题。一旦设备舱内温度超过设备的工作温度上限，便有发生设备故障报错或死机的风险，这对直升机的飞行安全将产生极大威胁。

进排气口的设计以及设备的布局位置对设备舱的通风散热能力有直接影响，但由于设备布置位置牵扯整机各个系统可调整空间极小或不可调，因而对设备舱进排气口的设计更具实用性。国内外应用CFD（Computational fluid dynamics）方法针对汽车、坦克、装甲车辆舱室内温度场进行了较多研究工作[3-5]，为直升机设备舱通风散热的设计和优化提供了参考。但国内外尚无直升机设备舱通风散热问题的相关研究。

本文采用基于格子-玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method，LBM）的仿真计算手段对采用不同构型进排气口组合的设备舱简化模型进行数值模拟分析，通过分析设备舱进气流量与温度分布，考查不同构型进排气口组合的气流组织分布，得到散热效果较优方案，研究结果对直升机设备舱进排气散热系统的优化设计具有实际的工程指导意义。

1 数值模拟计算

1.1 数值模拟方法

格子-玻尔兹曼方法（LBM）是一种基于粒子分布函数演化的数值方法[6]。该方法中，由于粒子速度与空间离散一致，粒子在空间网格点上传输，对流仅仅是简单的赋值运算，没有空间差值误差。粒子分布函数通过粒子在网格点的碰撞而改变，仅由当地网格点上宏观值决定，不涉及其它网格点的值，因而具有优秀的局部性，便于并行计算。在LBM中，基本的计算变量不是密度、速度这些宏观物理量，而是介观上的粒子分布函数。LBM的控制方程Lattice Boltzmann方程描述如下：

1.2 物理模型

直升机机身及设备舱简化几何模型如图1所示。机身长2.4 m，直径0.6 m，整个设备舱系统包括进气口（含防雨斗）、设备（含设备1、2、3）和排气口（含防雨斗）。本文为进排气口各设计了三种方案，见图2.所有进排气口方案在直升机机身蒙皮上的矩形开口大小均为60 mm×100 mm.本文计算了三种进气口和三种排气口组合而成的五种进排气方案，模型进排气口组合方案见表1.

图1 直升机设备舱简化模型

图2 进气口和排气口设计方案

表1 进排气口组合方案

1.3 格子与边界条件

为节省计算资源同时兼顾计算精度，格子划分采用近壁面加密方式，远场格子尺度0.16 m，机身0.04 m（曲率变化大的位置0.01 m），设备0.01 m，进排气口及防雨斗0.002 5 m，格子总数约200万，如图3所示。计算开启能量方程，空气密度变化采用布辛涅斯克小密度差近似，设备为发热源，设备1、2、3的表面热流密度分别设为2 400 W/m2、1 600 W/m2、1 000 W/m2，环境温度为298.15 K，降温考察对象为设备1.本文主要考察了前飞状态，另外对对两个不同进排气口组合方案进行了侧飞状态的计算，具体计算状态见表2.

图3 格子划分

表2 计算状态

2 计算结果及分析

2.1 进气流量对设备舱温度的影响

表3给出了各方案的计算结果，图4表明了进气流量对进气速度、设备1表面温度、设备舱平均温度、设备舱气流平均速度的影响。从图4结合表3可以看出，随进气流量的增大，进气速度、设备舱平均速度均增大，设备1表面温度及设备舱平均温度均降低，这表明进气流量是设备舱通风散热中最重要的考量因素之一。

表3 计算结果

图4 进气流量对各考察量的影响

图5给出了不同进气口表面（防雨斗端口）速度分布。由图5可以看到，三种进气口防雨斗端口处的速度分布，高速区均集中在左侧，进气口1速度分布整体较为均匀且处于较低数值，进气口2、进气口3高速区域则更为集中且速度更大。从图4可看出，在进气速度突然增大后（防雨斗端口面积减小所致，此时进气流量仅少量增加），设备1表面温度及设备舱平均温度均有较明显的下降，说明进气速度增大对设备舱散热效果有明显的提升。

图5 不同进气口表面速度分布

2.2 优化设计方案对比

对比表3中状态1和状态2，加装了排气口外罩后，进气流量反而大幅下降，而将外罩作斜切处理后（方案三），进气流量大增，较方案一提高了33.3%，这种现象可能是由于排气口与防雨斗排气流向不一致，排气动压损失较大造成的，从图6不同排气口截面压力分布可以看出，三种排气口对比右侧负压区域大小，排气口3明显大于前两者，排气口2最小，且排气口2外罩阻塞排气，受排气冲击，出现一定的正压区域，而排气口3则基本上都是负压区域，说明其排气更为顺畅。

图6 不同排气口截面压力分布

对比表3中状态3和状态4，进排气方案仅更改了防雨斗构型，进气口2的防雨斗与蒙皮开口处为相切连接，更加便于来流进入，使得进气流量提高了5.8%，而且防雨斗端口面积较进气口1降低了约四分之一，进气速度提高了46.2%.考虑直升机飞行状态不仅仅有前飞，还有侧飞和爬升等状态，方案五将进气口外罩作斜切处理，这样使得进气流量减少了4.4%，散热效果略微下降，但对比状态6和状态7可知，侧飞时方案五进气流量是方案四的2.33倍，设备1表面温度较方案四降低达8℃，鉴于此，本文认为方案五前飞散热效果略微下降是可以接受的。综上所述，本文认为方案五为最优方案。

2.3 试飞验证

对某型机分别采用方案二、方案三、方案四及方案五进行了试飞试验。发现方案五降温效果最明显，进排气优化效果明显，设备舱内设备过热故障问题得到解决。

3 结论

本文通过基于LBM的仿真计算手段对采用不同构型进排气口组合的设备舱简化模型进行数值模拟分析，通过分析设备舱进气流量与温度分布，考查直升机进排气口优化设计方案优劣，得到以下结论：

（1）进气流量是设备舱通风散热中最重要的考量因素之一，进气流量越大，越有利于增强设备舱的通风散热。

（2）与蒙皮相切连接的防雨斗加上斜切处理的进气口外罩进气效率更高，斜切处理的排气口外罩能使排气口排气效率提高。

[1]刘波，张洪涛，李基堂.武装直升机技术的发展[J].舰船电子工程，2011，31（2）：20-23.

[2]何志强.综合化航空电子系统发展历程及重要支撑技术[J].电讯技术，2004 44（4）：1-5.

[3]Matsushima Y，Takeuchi T，Kohri L．Prediction method of en gine compartment air flow using CFD analysis[J]．TASE，2000，21：197-203.

[4]刘西侠，毕小平，赵以贤.装甲输送车乘员舱内三维空气流动与传热的数值计算[J].兵工学报，2003，24（1）：16-18.

[5]韩玉阁，宣宜民.坦克动力舱内的热特性[J].红外技术，2000，22（3）：23-26.

[6]Chen S，Doolen G D.Lattice Boltzmann method for fluid flows[J].Annu.Rev.Fluid Mech.，2003，30（1）：329-364.

Research on Optimal Design of Air Inlet and Outlet of Helicopter Equipment Cabin Based on LBM

ZHANG Xiao-xing，TIAN Xu
（China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen Jiangxi 333001，China）

In order to improve the ability of ventilation of the helicopter equipment cabin，numerical simulation based on LBM was employed to analyze the simplified models of the helicopter equipment cabin with different combinations of air inlets and outlets.Through the comparisons of intake flowrate and temperature distributon of different optimized design schemes，the research conforms that the beveled air inlet cover leads to higher intake efficiency and the beveled air outlet cover improves exhaust efficiency.

helicopter；equipment cabin；LBM；numerical simulation；ventilation

V275.1

A

1672-545X（2017）07-0041-04

2017-04-10

张晓星（1990－），男，山东泰安人，硕士，工程师，研究方向：流体机械、旋翼气动方向；田旭（1992－），男，河南信阳人，学士，工程师，研究方向：流体机械、旋翼气动方向。