辅助动力系统舱体通风冷却与排气噪声研究

发布时间：2020-10-22 13:50

　　辅助动力系统(Auxiliary Power Unit-APU)通风冷却与辅助动力系统排气噪声抑制是辅助动力系统设计过程中面临的关键工程技术问题。本文对某型辅助动力系统简化后进行三维流动与换热数值仿真,分析了发动机工况、电机冷却风扇关闭/开启、通风冷却进气流量、通风冷却进气口位置对舱内温度场合通风冷却效果的影响;采用大涡模拟(LES)求解流场与FW-H方程外推声场的方法对辅助动力系统排气噪声进行数值仿真,分析了排气消音器、排气温度、排气引射舱内空气流量、冠齿喷管结构等对排气流场和声场的影响。研究结果如下:对于基准APU模型,在不同发动机工况下,舱体内流场与温度场分布规律一致,舱体上游冷却效果明显优于舱体下游冷却效果;受环境温度影响,海拔0m高度时的舱内局部温度超过工作允许值。在舱体冷却进气量足够时,电机冷却风扇的关闭有利于APU高温本体壁面的流动与换热,但代价是电机表面温度的剧烈上升。冷却进气流量的增大可以达到带走舱体内更多热量的目的,但因不恰当的进气口位置布置使得舱内局部温度更加恶劣。在相同进气量下,通过进气口位置的合理布局从而优化冷却空气在舱内的流动状况,消除舱内局部高温区域,舱内空间点都在允许温度限值内。排气消音器在不改变排气结构的情况下,可以降低排气噪声4-6dB。提高排气温度以及增大舱体冷却进气流量,均在不同程度上提高了排气喷流核心区的速度,排气噪声随之增大。冠齿结构的增设,在一方面堵塞了排气流通面积,使得排气喷流核心区速度升高;另一方面,冠齿结构在流场下游产生成对出现的流向涡,使喷流与环境流体间动量和能量交换得以加强。随冠齿数量增多,对噪声的抑制效果呈现出先增强再减弱的趋势。随齿弯角增大,噪声的抑制效果也呈现出先增强再减弱的趋势。排气噪声近场受“多普勒效应”影响,噪声指向性为喷流尾部区域最强,远场噪声指向性受四极子声源指向性的影响,在-18°到-54°范围和18°到54°范围内噪声最强。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V228
【部分图文】：

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图 1.1 辅助动力系统安装位置示意图随着辅助动力系统的发展与应用，其存在的诸多问题也日益凸显。首先就是通风冷却问APU 通常安装在机身内部的 APU 舱内，当 APU 工作时，发动机本身作为一个高温元件机匣壁面向舱体辐射与传递热量，继而造成 APU 舱体内的高温恶劣环境。出于安全性考

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冲压进气系统。文中所提出的一维模型为量化与匹配排气引射与系统压降特性提供了一种框架。并将一维流动模型与 CFD 计算结果相比较，结果表明一维流动模型计算结果良好，可用于未来对舱体冷却系统的改进。在飞行器短舱的气动布局和结构优化以及短舱和引射系统性能等方面，美国 BELL 公司对 XV-15 和 v-22 短舱展开了大量的研究工作[9][10]，加拿大 PW 公司对 PT6C 系列发动机也进行了较多研究，设计和优化了短舱和排气引射系统，针对发动机短舱流动与换热的研究目前还很少见。国内目前对辅助动力系统通风冷却研究不多，主要是针对发动机短舱内部的换热特性进行了一些研究。胡江峰[11]等对发动机舱进行了一维化研究，总结提出了发动机舱的冷却形式共分为两种，并给出了舱体冷却进气质量流量与传质传热的计算方法。如图 1.2 所示为两种冷却方式示意图，第一种冷却方法将舱体分成了前后两段，中间由一道防火墙隔开，防火墙轴向位置位于涡轮后部。第二种冷却方法简称直流式，其结构是将第一种方法中的防火墙去掉。文中还计算了某型飞机短舱的流动与换热，其采用的冷却方法为第二种直流式，最终结论如下：冷却进气流量与舱体进气口宽度成正相关，进气口宽度减小，冷却流量减小；随着冷却进气流量的增大，舱体前段温度降低不明显，舱体后段的温度则显著降低；舱体温度与环境温度也有关，环境温度高，舱体温度更恶劣。

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