王重

【摘 要】本文基于一種通風(fēng)計(jì)算模型簡(jiǎn)化方法和一維定?？蓧嚎s流體原理，對(duì)民用飛機(jī)吊掛隔艙的通風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算和分析。該方法計(jì)算效率較高，可為吊掛通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的權(quán)衡研究提供有效的理論支持。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；吊掛；通風(fēng)；可壓縮流體

0 引言

民用飛機(jī)在設(shè)計(jì)中會(huì)通過(guò)總體布局來(lái)將機(jī)體內(nèi)部分割成若干個(gè)不同功能的隔艙。這些隔艙中一部分由機(jī)載空調(diào)系統(tǒng)直接或間接地進(jìn)行供氣增壓，故其被稱為增壓艙或氣密艙；另一部分隔艙則不被供氣增壓，則被稱為非增壓艙或非氣密艙。為防止增壓艙的增壓空氣不可控地流入非增壓艙，在兩種隔艙交界的位置設(shè)置有專門(mén)的氣密隔框。非增壓艙在設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足艙內(nèi)溫度需求或艙內(nèi)防火需求，一般需設(shè)置專門(mén)的通風(fēng)路徑。

民用飛機(jī)吊掛是機(jī)體內(nèi)隔艙之一，功能是用來(lái)連接飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼（發(fā)動(dòng)機(jī)翼吊構(gòu)型飛機(jī)）或機(jī)身（發(fā)動(dòng)機(jī)尾吊構(gòu)型飛機(jī)）。因?yàn)楹桶l(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，吊掛在設(shè)計(jì)中需要滿足飛機(jī)火區(qū)的有關(guān)設(shè)計(jì)要求。運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR 25.1187（b）條款規(guī)定：“每一指定的火區(qū)必須通風(fēng)，以防可燃蒸氣累積?！盵1]在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，一般需保證吊掛內(nèi)部的分鐘通風(fēng)量達(dá)到5倍內(nèi)部被通風(fēng)體積。[2]

吊掛內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通風(fēng)路徑的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程，需要綜合考慮內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)備的安裝布置要求和通風(fēng)需求。因此一套高效的通風(fēng)計(jì)算方法是完成吊掛通風(fēng)設(shè)計(jì)的重要保證。本文將基于吊掛計(jì)算模型簡(jiǎn)化和一維定?？蓧嚎s流體原理，對(duì)吊掛通風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算和分析。

1 計(jì)算案例

圖1為一典型發(fā)動(dòng)機(jī)尾吊構(gòu)型民機(jī)的吊掛下蒙皮。由圖可見(jiàn)該型飛機(jī)吊掛主要通過(guò)開(kāi)設(shè)的2個(gè)進(jìn)氣口和1個(gè)出氣格柵進(jìn)行通風(fēng)，另外還有18個(gè)排液孔可起到一定的通風(fēng)作用（本文中忽略）。吊掛內(nèi)部由內(nèi)外側(cè)封閉肋和后梁封閉面隔離出容納系統(tǒng)設(shè)備和管路的獨(dú)立空間（圖一中用綠色線框框出）。

2 計(jì)算方法選擇和模型簡(jiǎn)化

對(duì)于該計(jì)算案例，比較常見(jiàn)的計(jì)算方法為CFD建模計(jì)算，通過(guò)模擬吊掛內(nèi)外流場(chǎng)計(jì)算出通過(guò)吊掛內(nèi)部的總通風(fēng)量。但在設(shè)計(jì)初期，結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)部系統(tǒng)布置往往需要大量的設(shè)計(jì)迭代和更改，每次更改均需進(jìn)行CFD建模調(diào)整和重新計(jì)算，工作量和工作耗時(shí)較大。

因此提出一種基于一維定?？蓧嚎s流體原理的計(jì)算方法，該方法可將吊掛的通風(fēng)簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)模型。以本文的計(jì)算案例為例，將吊掛被通風(fēng)區(qū)域作為研究對(duì)象，只考慮2個(gè)進(jìn)氣口和1個(gè)出氣格柵作用的情況下可得出簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖2。

3 計(jì)算原理

在圖2的簡(jiǎn)化計(jì)算模型中，吊掛內(nèi)氣壓穩(wěn)定為，氣流溫度等于外界大氣溫度T。進(jìn)出口壓力為吊掛外表面氣流壓力。

4 計(jì)算輸入處理

對(duì)于進(jìn)氣口和排氣口的通風(fēng)面積，可通過(guò)對(duì)開(kāi)口面積直接測(cè)量并乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方法，最終得出有效通風(fēng)面積。一般工程上可使用0.8左右的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

對(duì)于進(jìn)出口的氣流壓力，可從飛機(jī)整體氣動(dòng)性能計(jì)算的結(jié)果中進(jìn)行相應(yīng)的壓力提取。需要注意的是，在計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮各種典型的飛行工況，計(jì)算點(diǎn)狀態(tài)需包含各典型的飛行高度和飛行速度、以及飛行姿態(tài)和外界環(huán)境條件。以此得出全面的計(jì)算分析結(jié)論。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有的進(jìn)氣口還設(shè)置了專門(mén)的進(jìn)氣喉道，此時(shí)在處理壓力計(jì)算輸入條件時(shí)還需乘以喉道的總壓恢復(fù)系數(shù)，即考慮喉道造成的進(jìn)氣壓損。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，可直接選擇當(dāng)?shù)卮髿鉁囟茸鳛橥L(fēng)的進(jìn)氣溫度；吊掛內(nèi)部的通風(fēng)區(qū)域體積則直接取外部蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)封閉肋和封閉面所包裹的空間體積，如圖3所示。顯然該情況下被通風(fēng)體積將大于考慮內(nèi)部系統(tǒng)和設(shè)備情況下的實(shí)際內(nèi)部體積，是一種保守的計(jì)算輸入處理方法。

5 結(jié)果計(jì)算

明確了計(jì)算原理和計(jì)算輸入后，即可對(duì)通風(fēng)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。圖4為使用Matlab-Simulink軟件進(jìn)行的建模，在定義了計(jì)算輸入條件后，利用迭代法求解出各計(jì)算工況下穩(wěn)態(tài)通風(fēng)狀態(tài)的吊掛內(nèi)氣壓和體積通風(fēng)量。

6 結(jié)果分析

在求解出各計(jì)算工況下的吊掛內(nèi)體積通風(fēng)量后，可檢查其是否滿足全工況下均大于吊掛內(nèi)部被通風(fēng)體積的5倍。對(duì)于部分地面工況，因飛機(jī)運(yùn)動(dòng)速度較低，一般無(wú)法提供足夠的通風(fēng)量，但該部分工況下通風(fēng)量小于5倍吊掛內(nèi)部被通風(fēng)體積在設(shè)計(jì)中可接受，不會(huì)影響設(shè)計(jì)對(duì)適航要求的符合性。

另外，在進(jìn)行定量分析的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)吊掛內(nèi)部的通風(fēng)路徑進(jìn)行定性分析。檢查設(shè)計(jì)中是否存在因設(shè)備布置不合理而造成的內(nèi)部通風(fēng)受阻或形成通風(fēng)“死區(qū)”的情況，即通過(guò)定性分析來(lái)檢查吊掛內(nèi)部的通風(fēng)效果。

在定量分析和定性分析完成后，即可得出對(duì)當(dāng)前吊掛通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估結(jié)論。

7 結(jié)束語(yǔ)

在各型號(hào)民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)工作中，吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吊掛內(nèi)部布置設(shè)計(jì)以及通風(fēng)設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程。本文提出了一種通風(fēng)計(jì)算模型簡(jiǎn)化和基于一維定常可壓縮流體原理的計(jì)算方法，可高效地估算出當(dāng)前設(shè)計(jì)方案下吊掛的通風(fēng)量和通風(fēng)效果，為設(shè)計(jì)方案的權(quán)衡研究提供有效的理論支持。其在工程設(shè)計(jì)初期具有很高的實(shí)用性，可與方案初步定型后的CFD計(jì)算相結(jié)合，形成一套完備的吊掛通風(fēng)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國(guó)民用航空局.中國(guó)民用航空規(guī)章第25部-運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[Z].2011.11.07.

[2]陳卓如.工程流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2013：388-392.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint