基于计算流体力学方法的大型客机APU舱热分析

大型客机APU舱内部各部分结构的产热以对流换热和辐射换热的形式散热,冷却系统的设计尤为重要,在不改变内部涡轮等结构和安装位置的情况下,冷却系统的形状和尺寸的改变可以在一定程度上改进冷却效果。对APU舱内部热流分布影响最大的是辅助动力装置的排气系统,从涡轮排出的高温燃气温度达到1000K左右,本文先对APU舱的局部模型—APU排气冷却系统进行了重点研究,提出了多种改进方案,进行计算对比各项数据,并将选出的引射冷却效果最佳的冷却系统设计方案并入APU舱室热分析整体计算模型中。 为研究辅助动力装置排气系统的冷却效果,分析各结构参数如冷却空气引射孔、引射缝以及飞机后整流罩形状等对冷却效果的影响,采用商业CFD软件Fluent,选用Realizable k-ε湍流模型和DO热辐射模型建立了13个有不同引射孔位置、引射缝尺寸和飞机尾罩形状的排气系统流动和传热数值计算模型,得到了流场、温度场和热流分布。计算结果表明,冷却空气引射缝大小、引射孔的位置与形状面积以及后整流罩形状对APU排气系统的气膜冷却效果有重要影响。对比选出较好局部模型为#2和#5,建立整体计算模型的局部尺寸完全选用#2和#5的参数,用于研究大型客机APU舱传热过程和进行结构热分析,采用数值方法计算了APU舱温度场。同样采用商业CFD软件Fluent,选用Realizable k-ε湍流模型和S2S热辐射模型建立了APU舱内流动和传热数值计算模型,得到了流场、温度场和热流信息。APU舱中主要传热过程是辐射传热;APU防火罩和排气管隔热罩起到了热辐射遮热罩的作用;防火罩内的APU冷却空气对于降低防火罩温度有重要作用;排气管内的引射冷却空气有效降低了壁面温度。