民用飞机APU排气尾迹影响分析

蓝天 周成思

【摘 要】对民用飞机辅助动力装置（APU）排气尾迹影响区域进行了研究，通过三维数值分析方法，采用商业CFD计算软件Fluent，选用Standard k-omega湍流模型，计算分析了某新型飞机APU排气尾迹的温度和速度分布；以及在某改装方案中APU向下排气尾迹对地面产生的影响，为方案评估提供依据。

【关键词】民用飞机；APU；排气尾迹；喷流；CFD

中图分类号： V223.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0040-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.020

【Abstract】In order to study civil airplane Auxiliary Power Unit （APU） Exhaust Plume influence area， three dimension numerical computation are used based on commercial CFD software Fluent. A new type airplane APU exhaust Plumes temperature and velocity field were calculated by chosen Standard k-omega turbulent model. And we also calculated the APU exhaust downward plume for certain test configuration purpose， and provided a support for this test configuration evaluation.

【Key words】Civil airplane； APU； Exhaust plume； Jet flow； CFD

0 引言

辅助动力装置（Auxiliary Power Unit，简称APU），是一台小型燃气涡轮发动机，其主要功能是为飞机提供引气和发电，目前在商用运输类飞机中运用十分广泛，是现代民用客机必不可少的机载系统。它通常布置在飞机的尾部，APU产生的高温热排气直接从飞机尾锥末端排出。对于APU排气系统设计的主要要求是（1）应尽可能使APU排气顺畅，减少排气损失，因此通常采用直管排气；（2）热气排放过程中应确保安全，不能在机身内或机身外引起着火，热排气也不能对地面人员产生危害，因此通常向后、向侧或斜向上排气。在现有民用客机的维修手册通常也会给出APU热排气的影响区域，供地面人员进行安全地维修和机务工作。

本文对某新型飞机设计构型的APU热排气迹进行了CFD数值模拟分析，得出了设计构型下热排气尾迹的温度分布和速度分布。同时，本文对某改装构型APU向下排气的方案进行了计算分析，得出了APU向下排气构型的温度分布和速度分布，给出了对地面人员的安全区域，为改装方案的评估提供了依据。

1 计算模型

采用Fluent软件的求解器对计算域进行数值模拟，求解粘性定常三维N-S方程组。湍流模型选择标准k-omega模型及标准壁面函数，采用SIMPLE算法进行稳态计算，时间差分采用一阶完全隐式格式，空间差分采用二阶迎风格式。

计算模型主要包括飞机尾锥、尾锥内排气管道以及远场边界，其中排气管包括直管向后排气和弯管向下排气两个模型。尾锥长度约1.15米。直排气管道斜向上与水平面夹角约为8°，弯管下排气出口离地高度约3.5米。入口边界条件取APU排气出口气动参数，并考虑与冷却气流完全掺混后，采用质量流量入口边界条件，计算域下边界按照地面考虑为壁面边界，其余四周和上边界按照压力远场边界。计算工况按照热天海平面大气条件，以及APU最大功率工作情况设定，具体计算边界条件及相关参数如表1。

2 计算结果与讨论

2.1 直排气尾迹计算分析

图1展示了直排气尾迹的温度分布，图中末端约在排气出口6.5米左右，实际计算域远场距离排气出口约18米。排气尾迹中心温度在2米下降至600K，5米下降至450K，6.5米下降至400K，约在12米后下降至340K以下（图中未显示）。地面维护人员在排气口下方1米以外区域工作无安全影响。

图2展示了直排气尾迹的速度分布，相对温度的影响区域，速度的影响区域更窄。排气尾迹中心速度从出口处约95m/s，2米处下降至60m/s，4米处下降至30m/s，5.5米处下降至20m/s。

2.2 下排气尾迹影响分析

为满足某测试改装需求，排气管改为弯管下排气，并对其尾迹影响进行了计算分析。图3为下排气尾迹的温度分布，图中排气中心距离地面1米处温度超过400K，排气中心距离地面2米处温度接近550K。在排气中心线3.5倍排气出口直径以外空气温度可达350K以内，在排气中心线6.5倍排气出口直徑以外空气温度可达330K左右接近环境温度。

图4为下排气尾迹的速度分布，图中排气中心距离地面1米处速度约为20m/s。，排气中心距离地面2米处速度约为50m/s。在排气中心线2倍直径以外空气速度低于10m/s，在排气中心线2.5倍以外空气速度低于5m/s。

根据上述分析，如采用改测试改装方案，建议排气出口前方1米、侧方2米、后方10米的区域面积外为安全区域。

3 结论

通过对APU排气尾迹直排气（设计构型）和下排气（改装构型）的计算分析研究，得到结论如下：

（1）APU排气尾迹在排气出口2米内的速度和温度梯度较高，在5米后的温度速度梯度较小，15米后的排气温度和速度的影响可以忽略。

（2）对于APU排气尾迹，排气温度较高，速度相对较低，且排气尾迹的温度影响区域比速度影响区域更宽。如考虑对人员安全的影响，可以主要以安全温度的影响作为参考。

（3）对于测试改装方案的评估，本文分析了下排气尾迹对地面的影响，考虑避免高温高速气流可能对人员造成的危害，给出了建议的安全区域。

【参考文献】

[1]蓝天，陈韡等.民用飞机APU整合式尾锥消音器热分析[J].中国科技纵横.2014（11）：62-63.

[2]张强，唐宏刚，李传鹏等.喷流速度对引射器特性和APU性能的影响[J].科技信息.2011.