文章编号：２０９５－１２４８（２０２１）０１－００２８－０７基于Ｆｌｕｅｎｔ的某型ＡＰＵ排气腔体内流场、 陈振中１ａ，赖泽平１ｂ，王璐璐２，赵 鑫２，张 帅１ｂ
（１ 沈阳航空航天大学ａ．航空宇航学院，ｂ．民用航空学院，沈阳１１０１３６；２ 中国南方航空股份有限公司
沈阳维修基地，沈阳１１０１００）
摘要：为分析航空辅助动力装置（ＡＰＵ）排气腔体（ＥｘｈａｕｓｔＨｏｕｓｉｎｇ）的气体温度、流速和气动 压力因素对其部件损伤造成的影响，以某型号ＡＰＵ排气腔体为例，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ构建三
维实体模型并利用ＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ进行流体模型填充和前处理，把模型共享至Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中
的Ｆｌｕｅｎｔ，利用Ｓｉｍｐｌｅ压力修正算法和二阶迎风差分离散格式进行流体仿真计算。研究结果
表明：在排气腔体平均进口温度为８８６ １５Ｋ、进口总压为１０９ ８ｋＰａ正常工作情况下，通过分
析ＡＰＵ中排气腔体的气体流动特性以及温度、气动压力分布状况，得出理论损伤域与典型故
障件的实际损伤部位基本吻合。研究结果对排气腔体做进一步的损伤分析和可靠性计算提
供了流场环境依据。
关键词：ＡＰＵ；排气腔体；Ａｎｓｙｓ；Ｆｌｕｅｎｔ；流场；二阶迎风差分格式
中图分类号：Ｖ２３２ 文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－１２４８．２０２１．０１．００５
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎａｎＡＰＵＥｘｈａｕｓｔＨｏｕｓｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＦｌｕｅｎｔ
ＣＨＥＮＺｈｅｎ ｚｈｏｎｇ１ａ，ＬＡＩＺｅ ｐｉｎｇ１ｂ，ＷＡＮＧＬｕ ｌｕ２，ＺＨＡＯＸｉｎ２，ＺＨＡＮＧＳｈｕａｉ１ｂ
（１ ａ．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｂ．ＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｈｅｎｙａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１３６，Ｃｈｉｎａ；２ ＳｈｅｎｙａｎｇＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅ＆ＯｖｅｒｈａｕｌＢａｓｅ，ＣｈｉｎａＳｏｕｔｈｅｒｎＡｉｒｌｉｎｅｓＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅＥｘｈａｕｓｔＨｏｕｓｉｎｇｏｆｔｈｅＡｖｉａｔｉｏｎＡｕｘｉｌｉａｒｙＰｏｗｅｒＵｎｉｔ（ＡＰＵ）ｏｎｉｔｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｄａｍａｇｅ，ｔａｋｉｎｇａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆＡＰＵＥｘｈａｕｓｔＨｏｕｓｉｎｇａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂ ｌｉｓｈｅｄｂｙＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓａｎｄＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒｗａｓｕｓｅｄｆｏｒｆｌｕｉｄｍｏｄｅｌｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｐｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｓｈａｒｅｄｔｏＦｌｕｅｎｔｉｎＷｏｒｋｂｅｎｃｈ．Ｔｈｅｆｌｕｉｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂ
ｙＳｉｍｐｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｒ ｒｅｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒｕｐｗｉｎｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄａｍａｇｅｄｏｍａｉｎｉｓｂａｓｉ ｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｄａｍａｇｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｆａｕｌｔｙｐａｒｔｓｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｇａｓｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｃｈａｍｂｅｒｉｎｔｈｅＡＰＵａｔｎｏｒｍａｌｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ８８６ １５Ｋａｖｅｒａｇｅｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｃｈａｍｂｅｒａｎｄ１０９ ８ｋＰａｔｏｔａｌｉｎｌｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄａｍａｇｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＥｘｈａｕｓｔＨｏｕｓｉｎｇ．
收稿日期：２０２０－０７－３１
作者简介：陈振中（１９６３－），男，辽宁沈阳人，教授，博士，主要研究方向：结构疲劳断裂与可靠性分析，Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｚｈｏｎｇ＿ｃｈｅｎ＠ｈｏｔｍａｉｌ ｃｏｍ。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＰＵ；ｅｘｈａｕｓｔｈｏｕｓｉｎｇ；ＡＮＳＹＳ；Ｆｌｕｅｎｔ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄ；ｓｅｃｏｎｄｏｒｄｅｒｕｐｗｉｎｄ
aphidici
近年来民用航空技术的发展对ＡＰＵ［１－２］的可靠性［３］等提出了更高要求。ＡＰＵ的排气
腔体直接接触从涡轮传来的高速、高温气体，造成诸多损伤故障，进而影响ＡＰＵ使用可靠性。计算机ＣＦＤ由于仿真功能强大、试验成本低等优点已被广泛运用于航空发动机研究领域，
Ｇａｙｄａｍａｍｋａ等［４］利用ＣＦＤ技术对单级微型涡轮的气动性能进行研究；孙科、丁旭等［５］采
用湍流Ｓ－Ａ模型对涡桨发动机进行吹风流场仿真计算并对比试验结果，二者吻合度良好；时
岩等［６］利用ＣＦＤ结合有限元对排气歧管进行
动力学和热力学分析。国内外学者对航空发动机ＣＦＤ研究已经比较深入，但对于辅助发动机ＡＰＵ中排气腔体的相关的实验特别是仿真研究仍比较少。本文基于Ｆ
ｌｕｅｎｔ对排气腔体的内流场进行仿真计算，并把Ｓｉｍｐｌｅ压力修正算
法［
７］和二阶迎风差分离散格式计算［８］
运用到ＡＰＵ排气腔体部件的仿真之中，探讨尾气流场对排气腔体造成的影响。
１ 三维模型建立
排气腔体本体主要由外壳体、内椎体和支柱三大部分组成，除本体外还有一些安装固定组件和探测器等（建模时已省略）。运用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ对排气腔体构建了三维实体模型，实体模型及尾气流动分别如图１和图２
所示。
图１
排气腔体三维实体模型图
图２ 排气腔体三维实体模型剖面
２ 基本控制原理
ＡＰＵ的尾气流动满足连续性方程、动量守
恒方程、能量守恒方程［９－１１］
。
连续性方程
ρ ｔ＋ （ρｖｘ） ｘ＋ （ρｖｙ） ｙ＋ （ρｖｚ
）
ｚ＝０（１）
式（１）中，ｖｘ、ｖｙ和ｖｚ是速度矢量在ｘ、ｙ和ｚ方向上的分量，ｔ是时间，ρ是流体密度。为了公式书写方便，此处引入哈密顿算子
＝
ｉ ｘ＋ｊ ｙ＋ｋ ｚ（２）
则方程（１）可写为
ρ
ｔ＋ ·（ρｖ ）＝０（３）
尾气流动满足动量守恒方程
（ρｖｘ） ｔ＋ ·（ρｖｘ
ｖ ）＝－ ｐ ｘ＋ ζｘｘ ｘ＋ ζｙｘ ｙ＋ ζｚｘ ｚ＋ραｘ
（ρｖｙ
） ｔ＋ ·（ρｖｙｖ ）＝－ ｐ
ｙ＋ ζｘｙ ｘ＋ ζｙｙ ｙ＋ ζｚｙ
ｚ＋ραｙ
（ρｖｚ
） ｔ＋ ·（ρｖｚｖ ）＝－ ｐ ｚ＋ ζｘｚ ｘ＋ ζｙｚ ｙ＋ ζｚｚ ｚ＋ρα ｚ（４）式（４）中，ｐ为压力，ζｘｘ、ζｙｘ、ζｚｘ是气体粘性应力分量，αｘ、αｙ、αｚ是流体加速度在ｘ、ｙ和ｚ方向上的分量。本文中气体流动计算采用工程运用
９
２第１期 陈振中，等：基于Ｆｌｕｅｎｔ的某型ＡＰＵ排气腔体内流场、温度与气动压力数值分析
广泛的标准ｋ－ε模型［１２－１３］求解，其输运方程
如下
（ρｋ） ｔ＋ （ρｋｕｉ
） ｘｉ＝ ｘｊ
μ＋
μｔσ(
)ｋ ｋ
ｘ[]
ｊ＋Ｇｋ＋Ｇｂ＋Ｓｋ－ρε－ｙＭ
（５）
（ρε） ｔ＋ （ρεｕｉ） ｘｉ＝ ｘｊμ＋μｔσ()ε
ε ｘ[]
ｊ＋Ｃ１ε
εｋＧｋ＋Ｃ３εＧ()ｂ＋Ｓε－Ｃ２ε
ρε２
ｋ
（６）
式（５）、（６）中，Ｇｋ是平均速度变化梯度引起的湍流动能；Ｇｂ＝０，为流体浮力引起的湍流动能；ｙＭ＝０；Ｃ１ε、Ｃ２ε、Ｃ３ε为经验常数取值分别是１ ４４、１ ９２、０ ０９，湍动能ｋ和湍动耗散率ε对应的Ｐａｎｄｔｌ数 ｋ为１ ０， ε为１
３。３ 前处理与边界条件设定
３ １ 流体模型
排气腔体的排气道位于外壳体和内椎体之间，其中流体网格划分为５０１９１９个节点，
１６５０６７５个单元数，本算例根据模型特点设置８层膨胀层。网格模型如图３和图４所示。
为了计算精度网格划分后采用Ｓｋｅｗｎｅｓｓ（偏斜检验）和Ｏｒｔｈｏｇｏ ｎａｌＱｕａｌｉｔｙ（正交品质）
两种方法［１４］对本算例网格进行质量检验。网
格质量分布如图５和图６所示，
表明网格划分质量较好可用于计算。取１０组网格数目进行无关性验证，由图７
结果可知在网格单元数达到１５０万以后，排气腔体平均出口温度变化已不大，故本例网格单元数为１６５０６７５个时已达
到精度要求。
图３
流体网格模型图
图４
流体网格模型图剖面
图５ 有限单元ｓｋｅｗｎｅｓｓ质量分布图
０３沈阳航空航天大学学报 第３８卷
电子涡轮增压器
图６ 有限单元ＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＱｕａｌｉｔｙ
质量分布图
图７ 网格无关性验证图
３ ２ 边界条件设定
表１为某型ＡＰＵ排气腔体工作参数。
表１ 排气腔体工作参数
进口总
二氧化碳减压器压／ｋＰａ平均进口
总温／Ｋ出口静
压／ｋＰａ出口外
温度／Ｋ１０９ ８
８８６ １５
１０１ ３２５
３００
综合考虑数值精度和减小扩散，采用Ｓｉｍ
ｐｌｅ
压力修正算法，残差设为１ｅ－４
，针对本算例流动控制方程的性质特点，动量方程、连续性方程、湍动能耗散方程以及湍动能方程均采用二
阶迎风格式离散计算［
１５］
。４ 仿真计算结果与分析
由图８、图９可得出口温度和进口流速随着迭代次数收敛效果良好。表２为仿真温度与实验结果对比，可知平均偏差率小于３％，结果
相对准确。
图８
光纤光栅压力传感器
平均出口温度
图９ 平均进口流速
图１０、图１１、图１２分别为流速分布、流速矢量与流线迹线云图。如图１０、１１、１２所示，流体流速范围在０～２３６ ５ｍ／ｓ之间，尾气在近壁面（内椎体、支柱和外壳体表面处），由于气体
１
３第１期 陈振中，等：基于Ｆｌｕｅｎｔ的某型ＡＰＵ排气腔体内流场、温度与气动压力数值分析
粘性流速为０，流体流速最大值出现在支柱附近绕流处，气体在该处产生旋涡，多为紊流状，该处受到流体的气动冲击力最大。
图１３和图１４分别为气体温度在剖面和气体与固体交接壁面的分布云图，图１５为气体温度分布云图。可见因气体粘性和固体产生摩擦，气体温度在壁面处整体高于气体内部，进口端温度大于出口端温度，整体温度范围分布在８８３ ３～９１０ ５Ｋ之间。温度最大值主要集中在支柱靠近前沿的左右两侧。
表２ 计算结果与某型号ＡＰＵ的试车台
出口温度数据对比
收敛后平均
出口温度／Ｋ
某试车台温度
传感器所测
出口温度／Ｋ
与试车台数
据偏差率／％
平均偏
差率／％
８５４ １２ ２８
８５０ ２２ ２９
８５２ １５８５３ ２１ ２３１ ３９
８５２ ３０ １５
８５２ ６１ ０
染料废水
０图１０
流速分布云图图１１
流速矢量云图剖面图１２
流线迹线图图１３
cao55
气体温度分布云图剖面图１４
气体壁面温度分布云图图１５ 气体温度分布云图
分析图１６可得整体上压力分布进口端为
负，出口端为正，在数值上分布为中间段大于头
尾段。图１７为尾气流体在交界面处的压力分
布云图。由图１７可得压力最大正值为
８７５６Ｐａ，集中在支柱前沿，压力最大负值为
２６３９０Ｐａ，集中分布在靠近支柱前沿的左右两
边。可见排气腔体支柱前沿和靠近前沿两侧比
其他部位所处的气体压强条件恶劣。在不考虑
外接固定组件的情况下，该处受到的气体压力
损伤较大、
可靠性较低。
图１６ 气体压力分布云图剖面
２
３沈阳航空航天大学学报 第３８卷
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