朱松涛;邱义芬;张晓;赵明洲;柯传义;高飞
【摘 要】为民用飞机应急滑梯充气系统中高压引射器设计提供依据,应用Ansys Workbench软件、计算流体力学(CFD)对一种径向吸气的多喷嘴引射器进行建模与流体仿真计算.研究了喷嘴数、混合室长径比、混合室与喷嘴流通面积之比对该引射器引射性能的影响.仿真结果表明,适当提高喷嘴数,提高长径比和在低背压时提高面积比都能有效提高引射器引射比,其中面积比的影响最为显著:在300倍面积比、8.6kPa背压时,引射比可达2.49.但在高背压下,过大的面积比将使引射器性能变差.此外,通过对仿真结果的云图分析,发现径向吸气引射器混合流量中心区域流速过高的缺陷,需要改善. 【期刊名称】《航空科学技术》
【年(卷),期】2018(029)003
【总页数】7页(P8-14)
充气模型【关键词】引射器;多喷嘴;引射比;计算流体力学;逃生滑梯
【作 者】朱松涛;邱义芬;张晓;赵明洲;柯传义;高飞
【作者单位】北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100191;北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100191;航空工业航宇救生装备有限公司, 湖北 襄樊 441003;北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100191;航空工业航宇救生装备有限公司, 湖北 襄樊 441003;航空工业航宇救生装备有限公司, 湖北 襄樊 441003
【正文语种】中 文
【中图分类】V244.2
民用飞机为应对突发情况，装备有应急滑梯系统，使机载人员能够快速逃离飞机抵达地面。应急滑梯系统利用引射器高引射比、高增压比的特点，给应急滑梯快速充气。应急滑梯充气系统主要由高压气瓶、稳压阀、高压软管、引射器以及滑梯气筒组成。由于气瓶内压力高、气瓶内工作流体有限、滑梯气筒充气时间非常短，因此，要求系统引射效率高、引射流量大、工作时间短。系统中引射器性能是气筒能否在规定时间内达到工作压力的关键。
1942 年，Keenan 和 Neumann[1，2]建立了一维能量、质量和动量守恒方程描述引射器流动分析过程，提出等压混合理论与等面积混合理论。前者与实际工况更为接近，1950年之后，等压混合理论得到进一步完善。1977年，Munday和Bagster[3]在等压混合理论基础上，考虑了激波对引射流、吸入混合的影响。1985年，Huang等[4]建立了一维临界工作状况的理论模型，并提出喷嘴下游假想喉部的概念。1997年，邱义芬等[5]提出了多喷嘴引射器性能参数的理论计算方法。随着引射器理论和CFD技术的逐步发展，为加快研究速度和深度，国内外开始对引射器二维及三维模型展开仿真研究[6]。Hemidi[7，8]和 Bartosiewicz[9]对单个拉法尔喷嘴引射器在多种湍流模型下进行二维仿真，得到k-e和k-w-SST湍流模型的仿真结果与试验结果接近。Hany[10]应用CFD研究了引射压力对引射性能的影响。Mazzeli[11]在多种湍流模型下对二维及三维引射器模型进行仿真，得出三维模型下结果与试验更接近。Zhu[12]等应用CFD研究了吸入室收缩角及喷嘴距混合室入口距离对引射器性能的影响。兰江[13]等应用Flowmaster对多喷嘴引射器进行了仿真，并通过试验验证了仿真模型的精确性。缪亚芹[14]等通过试验与Fluent数值仿真，得到多喷嘴引射器引射流与吸入流间压比越大、引射比越小的关系。
综上，应用于快速引射充气系统中的高压多喷嘴引射器的研究较少，有必要针对系统中引
射器的快速引射充气性能进行仿真研究。本文主要利用Ansys Workbench软件，对一种高压径向吸气多喷嘴引射器进行数值模拟，研究喷嘴数、混合室长径比、混合室与喷嘴面积比三个参数对引射性能的影响，并在引射器理论研究及仿真结果基础上，讨论分析滑梯应急快速充气系统中引射器流动过程，为应用于应急滑梯系统中的引射器设计提供依据。
1 CFD建模仿真
径向吸气多喷嘴引射器按表1进行分组建模。表中长径比指混合室长度与直径之比，用L/D表示；面积比指混合室流通面积与喷嘴总流通面积之比，用AR表示。1～3组中，保持喷嘴总流通面积与混合室尺寸不变，更改喷嘴数目与布局，研究不同喷嘴数下引射器引射性能变化情况；4～11组中，保持喷嘴结构尺寸与混合室的面积比不变，更改混合室长度，改变混合室长径比，研究混合室长径比对引射器引射性能的影响；12～19组中，保持喷嘴结构尺寸与混合室长径比不变，调整混合室直径、改变面积比，研究面积比与引射器引射性能间的关系。
表1 引射器主要几何模型参数Table 1 The major geometry model parameters of the ejectors组别 喷嘴数喷嘴直径/mm混合室长度/mm混合室直径/mm长径比L/D面积比AR喷1
6 3.46 217 86 2.5 103嘴数2 12 2.5 217 86 2.5 103响3 18 2 217 86 2.5 103 4 6 3.46 172 86 2 103 5 6 3.46 258 86 3 103 6 6 3.46 344 86 4 103径比7 6 3.46 430 86 5 103响8 18 2 172 86 2 103 9 18 2 258 86 3 103 10 18 2 344 86 4 103 11 18 2 430 86 5 103 12 12 2 140 56 2.5 66 13 12 2 176 70 2.5 103 14 12 2 234 94 2.5 183积比15 12 2 300 120 2.5 300响16 18 2 172 69 2.5 66 17 18 2 215 86 2.5 103 18 18 2 286 115 2.5 183 19 18 2 368 147 2.5 300影长影面影
第3组中18喷嘴引射器三维模型如图1所示，喷嘴结构如图2所示。其余组引射器几何模型建立方式与此相同。
图1 18喷嘴引射器三维模型Fig.1 The 3D model of 18-nozzles ejector
图1中，1为高压软管，软管入口连接气瓶，出口连接引射器喷嘴入口；2为喷嘴，共18个；3为吸入空气入口；4为混合室，吸入流与引射流在此混合；5为混合室扩压段，连接应急滑梯气筒。图2中，喷嘴由等截面段与扩张段组成。表1中喷嘴直径指的是等截面段喷嘴直径，扩压段出口直径始终保持等截面段直径的1.35倍。各组中喷嘴长度保持不变。
图2 喷嘴结构尺寸(单位：mm)Fig.2 The structural parameters of nozzle（unit：mm）
不同喷嘴数对应布局如图3所示，图中喷嘴均匀布置在内外圈上。
图3 引射器喷嘴布局Fig.3 Nozzles layout of ejectors
由于此引射器结构模型较复杂，而非结构网格自适应性好、网格质量较高、利于划分复杂的几何模型，故采用四面体非结构网格对引射器进行网格划分。图4为引射器采用非结构网格划分的结果，全局网格数量在300万左右。
图4 引射器网格划分结果Fig.4 Meshing result of ejector
利用Fluent对表1中的引射器模型进行仿真计算。流动采用Standard k-e湍流模型，高压引射流为氮气与二氧化碳混合物，质量比为0.5∶0.5，吸入流为环境空气，高压引射流及吸入流均按实际气体处理，边界条件见表2。混合室背压模拟滑梯气筒内压力动态变化过程，随充气时间增加而增大。本文分析计算引射器在4s充气时间内引射流与吸入流的非稳态流动过程。
表2 引射器边界条件设置Table 2 The settings of ejector boundary condition引射流入口压力/MPa吸入流入口压力/Pa引射流、吸入流入口温度/K混合室背压3.3 101325 300 —
图5 混合室背压变化曲线Fig.5 The curve of backpressure
2 仿真结果
2.1 不同喷嘴数下引射器仿真结果
对表1中1～3组所示的引射器进行仿真计算，研究在相同长径比、面积比条件下，喷嘴数量对引射器引射性能的影响。图6和图7分别为4s内引射器混合流量和引射流量变化曲线。
图6 不同喷嘴数下混合流量曲线Fig.6 Mixing mass flow rate curves of ejectors with different nozzle number
图7 不同喷嘴数下引射流量曲线Fig.7 Primary mass fl ow rate curves of ejectors with different nozzle number
2.2 不同混合室长径比下引射器仿真结果
对表1中4～11组所示的引射器进行模拟仿真，计算6和18喷嘴引射器在面积比不变、长径比改变时引射器性能的变化。图8和图9分别为4s内18喷嘴引射器在不同长径比下混合流量
和引射流量变化曲线。6喷嘴引射器混合流量、引射流量随长径比变化规律相同。
2.3 不同混合室面积比下引射器仿真结果
对表1中12～19组所示的引射器进行模拟仿真，计算12和18喷嘴引射器在长径比不变、面积比改变时引射器性能的变化情况。图10和图11分别为4s内，12喷嘴、18喷嘴引射器在不同面积比下混合流量变化过程。图11为12喷嘴引射流量变化情况，18喷嘴引射流量变化情况与图9相同，引射流量不随混合室结构改变而改变。
图8 不同长径比下混合流量变化曲线Fig.8 Mixing mass flow rate curves of ejectors with different aspect ratio
图9 不同长径比下引射流量变化曲线Fig.9 Primary mass fl ow rate curves of ejectors with different aspect ratio
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