APU进气系统流体计算方法研究

总结，主要内容包括进气系统涉及的结构进行简化、计算区域的确定、网格生成、边界条件的定义、CFD求解方法，和流体计算结果分析。

1APU进气系统的流体计算

进气系统流体气动计算方法研究的目的，在于从CFD角度开展APU进气系统气动性能研究，获得APU进气系统CFD计算的建模方法、CFD分析的基本方法以及对所得结果进行分析，为深入开展APU进气系统的研究提供理论基础。

1.1计算几何模型简化

在进气系统的分析和设计中，进气道形状、进气方式、进气口形状、进气口在飞机上的位置，对APU进气系统以及飞机气动性能有最为直接和重要的作用，为了真实反映这些要素，采用的计算几何模型的建立基于下列两个基本原则：

（1）真实再现对APU进气系统有重要影响的要素，例如进气道形状、进气口位置、进气风门的形状，以及进气口在机身上的位置等。

（2）保留了对流场特征有重要影响的几何结构，简化对流场计算没有影响或影响很小的结构，

以某大型客机的APU进气系统为例，经过初步简化，得到如图l所示的几何实体模型，该模型包括下列部件：飞机后机身、进气风门、APU进气管道和冷却管道。

1.2计算网格生成

计算网格品质的好坏将直接影响计算的效果，不好的网格甚至得出错误的结果，合适的网格不仅能得到正确的结果，还可以大大的缩短计算时间。

APU进气系统流体计算分析的网格生成包含下列步骤：

（1）以带进气系统在内的中后机身为原始模型，将其CAD程序中导人。

（2）机身修整。从CAD程序中带入的几何图案常常包含许多重复和不合理的线条与碎面，需要将重复线条去掉，小面融合构成较大的面，这样才能成功地划分网格。

（3）计算域的选取。网格生成中，需要确定流场的计算区域。取包围机身在内的一个较大区域作为计算域，为了网格划分的便利，采用了大圆柱形状作为外部计算区域。进气管道本身作为内流计算域部分。

（4）计算区域的分块。由于含APU进气系统的网格划分比较复杂。FLUENT软件包含的网格生成程序Gambit难以直接生成单块网格，因此需要采用多块网格。

（5）网格生成。各个分块采用六面体结构化网格进行生成，在结构网格的生成中，考虑了相邻分块的网格一致性。

2CFD求解模型

2.1湍流模型设置

APU进气系统的流动工况基本上是处于湍流流动状态下。要反映湍流流场的真实情况，可采用平均N-S方程和湍流模型联合求解，

APU进气系统的计算采用最常用的标准k-e湍流模型。

2.2边界条件设置

在数值计算中，计算域内的流动是由边界条件驱动的。从某种意义上说，求解实际问题的过程，就是将边界线或边界面上的数据，外推扩展到计算域内部的过程。因此，提供符合物理实际且适定的边界条件是极其重要的。在APU进气系统研究中的边界条件设置中，通常会设置4个不同类型的边界面：自由来流的压力远场（pressure-far-field）、进气道出口的压力出口（pressure-outlet）、固体壁面（wall）和内部边界（interior），如图2。

2.3數值求解初始化

在CFD计算中，除了要给定边界条件外，还需要给出流动区域内的所有流动变量的初值，即初始条件。初始条件一定是物理上合理的，否则，一个不合理的初始条件常常导致计算时间延长甚至不合理的计算结果。在APU进气系统计算中，采用了外流的自由边界条件（Pressure-far-field）进行初始化。

2.4收敛设置

由于含机身在内的APU进气系统模型的复杂性，迭代开始时常常需要以较小的Courant数进行，开始将其设置为0.5，并且当迭代稳定之后加大到5。这样需要迭代一段时间（如5000步）之后，更改Courant数并接着进行计算。当然也可以直接选取0.5或更小，但是需要迭代很长的时间。在迭代过程中，残差可能收敛性能不令人满意，此时可采用监视某些参数（如进气道出口流量等）是否稳定，流场残差是否变化稳定，再通过迭代步骤来终止计算。因为由于计算模型的复杂和网格品质的缘故，收敛可能很慢。

3流体计算结果及后处理

计算结束后，可以进行流场分析。分析用FLUENT自带的后处理部分直接进行，也可以采用第三方软件进行。

对于APU进气系统计算，下列一些重要的流场参数需要处理出来。

1）进气道出口截面参数。这包括出口流量、出口面总压恢复系数、出口面矢量图、马赫数分布等。前两个是工程设计时所需的进气道性能参数，其他可以帮助了解进气道的流动特征。

2）描述进气口附近流动情况的参数分布。如静压分布，流线，速度矢量等。它们可用来分析唇口设计的情况。

3）描述风门左右的流动情况。包括速度矢量图、压力分布等。它们有助于分析风门设计的气动特点。

4）中后机身的流动特征。如静压分布等。它们可以用来了解气流对进气系统的影响，以及进气系统对飞机的影响等，

4总结

APU进气系统工作研究是APU设计中的重要环节，掌握APU进气流场参数的计算方法是APU进气设计的关键技术。本文研究了APU进气系统CFD分析的基本方法。研究获得了下列主要结果：

1）研究了如何建立APU进气系统的计算几何模型。在充分分析了典型APU进气系统的结构形式、特殊要求之后，简化并确立了为开展进气系统CFD分析所需的典型几何模型。

2）确立了为进行进气系统所需的CFD计算方法。包括计算区域的确定、网格生成、边界条件的定义、以及CFD求解方法，它们构成了APU进气系统CFD数值模拟的计算模型。

3）介绍了对于APU进气系统流体计算结果的后期处理要点及设计影响。

[责任编辑：王伟平]

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