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Standardk-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：V223.9：A：2095-2457（2018）24-0040-002DOI：10.19694/jki.issn2095-2457.2018.24.020【Abstract】InordertostudycivilairplaneAuxiliaryPowerUnit（APU）ExhaustPlumeinfluencearea，threedimensionnumericalcomputationareusedbasedoncommercialCFDsoftwareFluent.AnewtypeairplaneAPUexhaustPlumestemperatureandvelocityfieldwerecalculatedbychosenStandardk-omegaturbulentmodel.AndwealsocalculatedtheAPUexhaustdownwardplumeforcertaintestconfigurationpurpose，andprovidedasupportforthistestconfigurationevaluation.【Keywords】Civilairplane；APU；Exhaustplume；Jetflow；CFD0引言辅助动力装置（AuxiliaryPowerUnit，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...