民用飞机实验室APU 开车高温尾气排放影响因素分析

马建军

（飞机强度研究所，西安 710065）

飞机实验室气候试验是以一架可飞行的全状态飞机为试验对象，在气候实验室中对其施加温度、湿度、太阳辐射、降雪、淋雨、吹风等气候环境，考核其在极端气候环境下的功能和性能[1-2]，确保飞机具有良好的环境适应性[3]。飞机实验室气候试验与外场试验一样是高度动态的，将真实地复现飞机在极端环境下浸泡一夜后[4]，飞机启动APU 或发动机，操作各飞机系统，检查飞机各系统功能是否正常，性能是否出现衰减[5-7]。飞机的APU 启动和工作一方面是试验对象，一方面又为其他子系统提供气源或电源等动力[8]。APU 启动时会喷出高温尾气，必须将APU 的高温尾气安全地排出实验室，避免影响试验环境，保障试验安全。本文通过CFD 仿真技术[9]，对APU 高温尾气的排放方法和排放影响因素进行了分析，为APU 尾气排放系统的设计提供参考。

1 气候实验室内APU 开车高温尾气排放方法

美国麦金利实验室进行过B787、A350、CS100、MRJ190 等多架民机的气候试验，其APU 高温尾气是通过一根排气管道排出实验室外的，如图1 所示。通常情况下，高温尾气都是“被动排放”的[10]，即依靠APU 高温尾气较高的气流速度进入排气管道，从而排出实验室，同时会引射一部分周围空气一同排出，类似一个引射器。相关引射器方面的研究表明，排气管道的特征参数，包括管道直径、距离、形状、背压等[11-15]，对主气流和被引射气流之间的相互影响存在一定的影响。这些研究基本集中在超声速甚至高超声速引射方面，侧重于对引射器性能（如引射系数、总压恢复系数等）的研究，而APU 尾气速度则相对较低，关于APU 尾气排放的分析尚不多见。

图1 庞巴迪CS100 飞机APU 尾气排放Fig.1 Bombardier CS100 APU Exhaust Gas Emission

理想情况下，排气管道的存在不应改变APU 的正常工作状态，APU 排气参数不应发生改变。从实验室温度和压力稳定的角度来说，将APU 高尾温气连同被引射空气排出实验室，必须同时向实验室内补充等量且与室内温度相同的新风，排放量越大，所需新风量越大，配套的新风系统能力也越大，因此APU尾气排放系统的设计流量也不宜过大。

2 模型建立

飞机和APU 尾气排放管道在实验室中的安装如图2 所示，排气管道对接APU 尾气出口，排气管道的出口在实验室的右后方。针对研究的目标，取实际模型的一部分进行研究并进行简化（如图3 所示），简化模型包括飞机后机身、APU 排气口、APU 管道、APU 附近大气、排气管道等。以APU 排气管道的出口圆心作为坐标原点，APU 排气口和APU 管道的直径d为0.3 m，APU 轴心距离地面高度4 m，排气管道X方向长30 m，管道的弯头半径为管道直径的2 倍。

图2 飞机和APU 排气管道在实验室中安装示意图Fig.2 Schematic diagram of the installation of aircraft and APU exhaust pipes in the laboratory

图3 简化模型Fig.3 Simplified model

对简化模式进行网格划分，如图4 所示。网格为六面体网格，在APU 管道和排气管道壁面设置边界层，边界层第一层网格高度为0.001 mm，以使壁面y+为1 左右，并且在APU 管道出口和排气管道入口附近进行网格加密设置，网格数量为480 万。

图4 网格划分Fig.4 Mesh division: a) X=0 section grid distribution;b) local grid densification

选用k-wSST 湍流模型[16-20]，边界条件设置如下。

1）APU 排气口：质量流量入口，流量为3.5 kg/s，温度to为381 ℃，湍流强度为5%，湍流耗散系数为10%。

2）周围大气：压力入口，总压为0 Pa，温度ta为20 ℃，湍流强度为2%，湍流耗散系数为2%。

3）排气管道出口：压力出口Pex为0 Pa，温度为20 ℃，湍流强度为2%，湍流耗散系数为2%。

4）机身、APU 管道壁面、排气管道壁面：本文不分析机身等表面对实验室内温度场的影响，因此均设置为绝热壁面。

APU 高温尾气成分比较复杂，但主要成分仍然是空气，本文重点研究的是管道特征对流动参数的影响，故APU 尾气按空气计算，空气密度采用理想气体模型，空气黏性采用萨特兰公式进行计算。压力–速度耦合计算采用SIMPLE 算法，压力、动量、湍流、能量方程采用二阶迎风差分格式，当排气管道出口质量流量变化在1×10–5kg/s 以内时，认为计算收敛。

3 结果分析

3.1 自由射流状态

APU 尾气自由射流状态下（无排气管道）的流动分布特性如图5a 所示，APU 排气口的出口速度达91 m/s，当地马赫数为0.18，属于亚音速气流，总压为2 377 Pa。APU 尾气高速射流离开APU 管道后，由于射流边界速度的不连续性而产生剪切效应，射流与周围大气产生能量交换，不断消耗射流的能量，直到射流的最中心区域。射流轴心处的速度及APU 管道出口不同距离处的速度剖面如图5b 所示，射流轴心速度在离开APU 管道出口一段距离内未见衰减，该段称为射流的起始段，此后轴心速度开始迅速衰减，称为射流的主体段，射流与大气分界处称为边界层，射流的扩散角为34°。

图5 APU 尾气自由射流Fig.5 APU exhaust gas free jet: a) flow trace and velocity field; b) velocity profile

APU 尾气自由射流状态下的压力分布如图6 所示。可见，在没有任何其他约束条件下，射流内部静压与周围大气基本一致，在20 Pa 以内。

图6 APU 尾气自由射流压力场分布Fig.6 Pressure field distribution of APU exhaust gas free jet

3.2 管道直径与管道入口距离

排气管道出口压力Pex=0 Pa，直径D为2 倍的APU 排气管道直径d时，不同的排气管道入口距离L下APU 管道出口附近的压力分布如图7 所示。可以看出，当L/d为0 时，APU 管道出口附近出现了较大的负压，导致APU 的排气总压Po仅为2 158 Pa，小于自然射流时的2 377 Pa，对APU 正常工作参数产生了影响。随着L的增大，负压区域逐渐远离APU管道出口。当L/d=2.0 时，APU 管道出口处的压力与自然射流状态下的基本一致。

图7 管道直径D/d=2 时不同管道入口距离L/d 时的压力（静压）分布Fig.7 When the pipe diameter D/d=2 static pressure distribution at different pipe inlet distances L/d

产生这种情况的原因可以由图8 所示的流动分布说明。APU 尾气高速气流的引射作用，周围大气经过加速进入排气管道，并在排气管道入口附近形成了涡流，大气加速会导致其静压降低。同时，涡流的存在进一步减小了有效流通面积，加剧了负压。负压区的存在改变了APU 排气射流的扩散条件，导致APU 排气流量不变的情况下，所需排气压力的降低，影响了APU 正常工作参数。

图8 管道直径D/d=2、L/d=0 时的流动迹线Fig.8 Flow trace when pipe diameter D/d=2 and L/d=0

射流轴心处的速度和压力如图9 和图10 所示。当排气管道入口距离L过近时，引射空气在排气管道入口形成的涡流减小了APU 射流的流通面积，迫使APU 射流轴心速度增大，排气管道入口的负压区导致APU 射流轴心压力的降低。当管道入口距离L/d超过1.5 时，APU 管道出口处（Z/d=0）的轴心速度和压力基本恢复到自然射流状态。

图9 管道直径D/d=2 时不同L 下的射流轴心速度Fig.9 Pipe diameter D/d=2 jet axis velocity at different L

图10 管道直径D/d=2 时不同L 下的射流轴心压力Fig.10 Pipe diameter D/d=2 jet axial pressure at different L

不同排气管道直径D和排气管道入口距离L时的APU 排气总压Po如图11 所示。可以看出，距离L的对Po的影响最大，当L/d=0 时，Po都偏小。随着L的增大，Po逐渐增大。当L/d超过2.0 时，Po基本不再变化，恢复至自然射流时状态。同时直径D对Po也有影响，D越大，Po恢复至自然状态所需的L也越大。当D/d=2.0，且L/d=1.5 时，Po就已基本恢复至自然状态，对APU 正常工作参数无影响。

图11 APU 排气总压Fig.11 APU exhaust gas total pressure

APU 对空气的引射作用大小可用引射比ε来表征，其定义为引射的空气质量流量与APU 尾气质量流量之比。不同的排气管道直径D和排气管道入口距离L时的引射比如图12 所示。可以看出，引射比基本上与管道直径成正比，而与排气管道距离L的关系不大。

图12 不同D 和L 时的引射比Fig.12 Ejection ratio at different D and L

不同排气管道直径D与排气管道入口距离L时，最终的排放温度如图13 所示。假设APU 的高温尾气及被引射的空气完全进入排气管道，不考虑其他因素，则最终的排放温度tex与APU 尾气温度to及大气温度ta之间的关系可用式（1）计算，计算结果如图14 所示。

图13 不同D 和L 时的排放温度texFig.13 Discharge temperature tex at different D and L

图14 排放温度与引射比之间的理论关系Fig.14 Relationship between discharge temperature and ejection ratio

对比图13 和图14 可以看出，在D/d=1.5、L/d≥2.0 及D/d=2.0、L/d≥4.0 时，排放温度背离了式（1）的计算，即在引射比基本不变的情况下，排放温度出现了下降。产生这种现象的原因是当排气管道直径较小时，随着排气管道入口距离L的增大，引射的空气已经无法完全进入排气管道，部分被加热的引射空气又重新回到大气，这就造成了部分能量的损失，导致最终的排气温度降低，如图15 所示。由于部分高温气体重新回到实验室，这也标志着排气失效。

图15 D/d=1.5、L/d=2.5 时的流动迹线及温度Fig.15 Flow trace and temperature when D/d=1.5, L/d=2.5

3.3 排气管道出口压力

由于最终的排放温度较高，可能会在排气管道的出口后采取降温措施，如喷水降温等，这将使得排气管道的出口压力产生变化。D/d=2.0、L/d=1.5 时，排气管道出口压力Pex的影响如图16 所示。可以看出，Pex对引射比ε有着较大的影响，基本上Pex每增大100 Pa，引射比ε降低0.116，同时也导致排放温度随着升高。随着Pex的增大，APU 排气总压Po也随着增大，但Pex小于600 Pa 时，Po变化较小，Pex＝600 Pa 时仅增大了5 Pa，Pex大于600 Pa，Po迅速增大，而排放温度增大趋势反而放缓。

图16 D/d=2.0、L/d=1.5 时排气管道出口压力Pex 的影响Fig.16 When D/d=2.0 and L/d=1.5, the influence of the outlet pressure Pex of the exhaust pipe

Pex分别为500、600、700 Pa 时，流动迹线及温度分布如图17 所示。可以看出，当Pex＝500 Pa 时，APU 高温尾气及被引射空气尚能完全进入排气管道；Pex＝600 Pa 时，被引射空气几乎已经无法进入排气管道，涡流区已经从管道入口溢出；Pex＝700 Pa 时，APU 高温尾气也无法完全进入排气管道，产生了反流，进而导致APU 排气总压的迅速增大。

图17 D/d=2.0、L/d=1.5 时不同排气管道出口Pex 的流动迹线及温度Fig.17 When D/d=2.0 and L/d=1.5, the flow trace and temperature of Pex at the outlet of different exhaust pipes

3.4 管道入口形状

由3.2 节的分析可知，管道入口区域涡流的存在加剧了负压，可以通过在管道的入口加一个平滑收敛段来减小负压，如图18 所示。从图18 中可以看出，在L/d=0 时，收敛段的存在明显改善了管道入口附近的流动状态，消除了涡流，负压也大大减小，APU排气总压恢复到2 302 Pa。因此，增加收敛段，将降低管道距离L的影响程度，对排气管道的安装也相应降低。

图18 收敛管道D/d=2.0、L/d=0 时速度和压力的分布Fig.18 Convergent pipeline D/d=2.0 (a) velocity and (b) pressure distribution when L/d=0

收敛管道与原始管道的对比如图19 所示。可以看出，收敛管对于APU 排气总压的影响显著变小，且随着L的增大，APU 总压最终为2 377 Pa，与自然射流时的一致。与此同时，L/d≤2.0 时，引射比也大于原始管道，但L/d＞2.0 时，引射比却小于原始管道。

图19 收敛管道与原始管道对比Fig.19 Convergent pipeline compared with the original pipeline

引射比减小的原因可从管道入口的质量流量分布（如图20 所示）看出，收敛段的存在阻碍了引射空气的流动，导致其质量流量分布产生了比较明显的突变，引起总的质量流量小于原始管道。

图20 D/d=2.0、L/d＝2.5 时2 种管道入口质量流量分布Fig.20 When D/d=2.0 and L/d=2.5, the inlet mass flow distribution of two kinds of pipelines

4 结论

通过以上的计算分析，可以得出以下结论：

1）通过排气管道对APU 高温尾气进行“被动排气”是可行的。

2）排气管道入口与APU 管道的出口距离L/d小于1.5 时，由于负压区靠近APU 管道出口，引起APU总压减小，利于APU 排气。

3）引射比与排气管道的直径基本上成正比，排气管道直径D/d小于2.0 时，应减小排气管道入口与APU 管道的出口距离L，防止高温气体溢出管道，造成排气失效。

4）排气管道的出口压力与引射比基本上成反比，且出口压力增大到一定值时，将导致高温气体无法排出，APU 排气总压迅速增大。

5）可通过在排气管道入口设置平滑收敛段的方式消除管道入口处的涡流，减轻负压程度，且一定程度上提高引射比，将降低对排气管道距离的安装要求。

6）为保持APU 正常工作以及保持较低的排放量，比较适合的排气管道设计为D/d=2.0、L/d=1.5，并在管道入口设置平滑过渡段。