张田野;孙智;孙建红;张书晔;许常悦
【摘 要】飞机空调冷却系统通过冲压空气进气道引入冷却空气.为了给飞机电子设备散热提供更大的冲压空气引气量,考虑在冲压空气进气道中安装引射器.针对5和10 km两种飞行高度,采用数值方法研究了飞行马赫数为0.2～1.2的冲压空气进气道以及冲压引射进气道流场.研究结果表明,在同一高度上,冲压引射进气道内的质量流量增比随着飞行马赫数的增大而减小.在低空低速时(飞行高度为5 km,飞行马赫数为0.2),引射器对增加引气量的效果较好,冲压空气进气道内引气量提升约为96.87％.本文的冲压空气引射进气道研究可以为飞机空调冷却装置的改进提供理论参考. 复合材料论文【期刊名称】《南京航空航天大学学报》
【年(卷),期】2019(051)004
【总页数】7页(P486-492)
慕容鲜卑【关键词】冲压空气进气道;引射;流量;数值模拟
【作 者】张田野;孙智;孙建红;张书晔;许常悦
【作者单位】南京航空航天大学航空学院,南京,210016;南京航空航天大学航空学院,南京,210016;南京航空航天大学航空学院,南京,210016;沈阳飞机设计研究所,沈阳,110035;南京航空航天大学航空学院,南京,210016
【正文语种】中 文
【中图分类】V245.3
21世纪以来，随着航空技术的飞速发展，机载电子设备的数量和功率不断增加，同时，电子设备的组装密度越来越高，导致热管理问题愈加突出。例如，由美国洛克希德·马丁公司和波音公司联合研制的美国第四代战机F-22，其总设计热负荷达到了55 kW[1]。电子设备的工作性能非常依赖外界环境，尤其是环境温度。数据表明，70%的电子设备工作失效是由工作环境过热导致[2]，故电子设备产生的热量需要借助冷却系统及时散出。
现今，机载电子设备的散热面对的一个问题就是随着飞行时间的加长，飞机的燃油量逐渐减少，燃油可能无法提供足够的制冷量，这对于电子设备将会产生较大的危害，极有可能
在很短的时间内造成电子设备无法正常工作甚至直接报废。针对此类情况，一种解决方案就是通过飞机的冲压空气进气口引入外界空气作为冷源，以弥补液体冷却系统制冷量不足的缺憾。同时为了保证飞机在大部分工况下，进气道内的冷空气质量流量均可以满足电子设备散热的需求，考虑在冲压空气进气道中安装引射器。
冲压引射进气道由冲压空气进气道和引射器两部分组成。冲压空气进气道是为了满足飞机制冷系统中空冷系统的热交换器冷却以及低空时的座舱内的通风，进气口一般会开在机身、机翼上，或者直接利用发动机进气道[3]。关于冲压空气进气道的研究相对较少，杨爱玲等人[4]通过编写雷诺平均的二维N-S方程对二维埋入式进气道进行了数值研究。孙姝等人[5]对平面埋入式进气道的地面工作特性进行试验研究，并且结合数值模拟对进气道的流态进行分析，探讨进气道出口总压图谱的产生原因。余安远等人[6]针对隐身外形飞行器使用的埋入式进气道提出了一套新的设计方法，并且通过实验对设计出的进气道气动特性进行研究。翁培奋等人[7]对弯曲的埋入式进气道流场分别进行了数值计算和试验研究。
国内外关于引射器的研究相对较多。张靖周等人[8]运用一维引射特性方程和不可压缩流动Navier-Stokes方程，对二维引射-混合流场进行了数值研究。许常悦等人[9]采用大涡模拟
方法对平面超声速引射器的内部流动进行了数值研究，研究表明引射器主射流的失稳过程与自由射流的失稳过程相同，主射流的失稳主导着混合室内部流动的混合过程，其特征St数约为0.27。陈健等人[10]对超声速引射器的启动特性进行研究。兰江等人[11]二次开发了适用于系统及仿真的多喷嘴引射器仿真模型，并且验证了仿真模型的准确性。刘培启等人[12]利用基于气体动力学理论的索科洛夫经验公式对引射器进行初步设计，并且通过CFD方法对其关键结构尺寸进行数值优化。Lambert等人[13]通过实验和数值仿真方法对超声速空气引射器的整体性能和内部流动进行研究，同时分析了引射器的结构参数和操作参数对引射器性能的影响。Chong等人[14]通过将实验结果与数值模拟结果对比，得出计算效率较高的计算方法，同时将四种湍流模型的计算结果与试验结果进行对比。Mazzelli等人[15]研究了关于超声速引射器能量传递的新方法。
目前通过在冲压空气进气道中安装引射器，来提高冲压空气引气量的研究相对较少，因此本文对冲压进气道以及安装了引射器的冲压引射进气道进行数值模拟计算，通过对比得到引射器对增大冲压进气道内冷空气流量的作用。通过对飞机处于不同飞行工况下的冲压引射进气道流场进行数值模拟，得到了飞行高度和飞行马赫数对冲压引射进气道工作性能的影响。
2011年高考1 数值计算方法
1.1 控制方程
将冲压引射进气道内部流动视为三维定常、可压缩流动，在直角坐标系下控制方程可以写成如下形式
式中:ρ为流体密度;xi为笛卡尔坐标分量;ui为速度分量;p为压强;E为总能。根据理想气体状态方程可以建立p和E之间的关系：p=(γ-1)(E-0.5ρ)。τij和 qi分别为黏性应力项和热通量项，表达式为
式中：γ为空气的比热比；μ为分子黏性系数；Pr为层流 Prandlt数；Sij=(∂ui/∂xj+ ∂uj/∂xi)/2 为应变率张量；T为温度。
1.2 湍流模型大黄丹
标准k-ε模型由Spalding等人[16]在1972年提出。在控制方程中，用有效黏性系数μe代替分子黏性系数μ。有效黏性系数μe等于分子黏性系数μ加上湍流黏性系数μT，即
式 中湍动能湍流耗散率
对于高雷诺数下，湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程分别为
式中：Cμ，C1，C2，σk和 σε为常数，具体数值可查阅参考文献[16]。Pk为湍动能的生成项
同时采用有限体积法对控制方程进行求解。对流项和扩散项均采用二阶精度的迎风格式进行离散。
1.3 引射器算例验证
冲压引射进气道主要由冲压空气进气道和引射器两部分组成，引射器是提高冲压进气道内冷空气质量流量的重要装置。由于引射器内部流动比较复杂，为了保证数值计算的准确性，采用已有的引射器[14]作为当前验证算例。该引射器为方管引射器，展向宽度为48.8 mm，引射器的详细尺寸参数如图1所示。
图1 引射器对称面示意图（单位：mm）Fig.1 Schematic diagram of the symmetry surface of ejector(Unit:mm)
计算采用结构网格，在固壁附近进行局部加密，网格总数约为167万个。引射器的主、次流入口以及出口的边界均为指定压力边界条件。引射器的固壁为无滑移无穿透的绝热壁面。将数值计算结果与文献[15]结果进行对比，表1给出了当前计算结果与实验值定量数据对比。从表中可以看出，当前计算结果与已有实验数据相符较好。为了进一步对当前计算进行验证，图2给出了沿引射器中心轴线上的压力分布曲线对比。从图2可以看出，当前计算的压力曲线和文献[15]中的计算结果基本吻合。上述验证结果表明当前计算具有较好的可靠性。
表1 当前计算结果与实验结果比较Tab.1 Comparison of current calculation results and experimental results参数当前结果实验结果主流流量/（kg ·s-1）0.341 0.328次流流量/（kg·s-1）0.173 0.166引射比0.507 0.503
图2 中心轴线上压力分布Fig.2 Pressure distribution on central axis
2 引射器及冲压引射进气道物理模型
2.1 引射器的物理模型
根据目标要求，设计出引射器的主要结构参数（主喷嘴出口直径，混合段直径以及混合段的长度），以及引射器的主、次流通道部分的结构参数，同时考虑到冲压进气道直径和长度的限制，对引射器扩压段的长度和混合段直径进行调整。冲压引射进气道中的引射器为方形管道，截面都是正方形，引射器的三维物理模型如图3所示，对称面的结构示意图如图4所示。
图3 引射器三维物理模型Fig.3 Three-dimensional physical model of ejector
图4 设计引射器对称面结构尺寸示意图（单位：mm）Fig.4 Schematic diagram of the symmetrical surface of the design ejector(Unit:mm)
通过数值计算可以得到，引射器的主流质量流量为0.26 kg/s，次流流量为2.54 kg/s，引射比为9.77。引射器内部速度流场分布如图5所示。该引射器由于受到冲压空气进气道的长度限制，扩压段较短，导致主次流混合之后在管道内不能充分发展，扩压段的混合流体的压力恢复较差，因此在扩压段出口处附近流体速度较小，但是该引射器的引射比较高，可以安装到冲压空气进气道中以增大冷空气质量流量。
图5 设计引射器内部流场速度分布Fig.5 Velocity distribution of internal flow field in design ejector
2.2 冲压引射进气道模型
为了得到引射器对冲压进气道内冷空气流量的影响，对飞机冲压进气道流场进行数值模拟计算。通过对文献[17]中的冲压空气进气道进行修改，给出了与引射器相结合的冲压空气进气道结构。冲压引射进气道是将引射器镶嵌到冲压空气进气道中，管道为方形，任一横截面是正方形，图6所示为冲压引射进气道的物理模型，图7所示为冲压引射进气道对称面的结构尺寸示意图。
中国武术散打功夫王争霸赛图6 冲压引射进气道三维物理模型Fig.6 Three-dimensional physical model of ram air inlet duct with ejector
图7 冲压引射进气道对称面结构示意图（单位：mm）Fig.7 Schematic diagram of the symmetry surface of ram air inlet duct with ejector(Unit:mm)
冲压空气进气道以及冲压引射进气道在计算时采用的网格均为结构网格，其中冲压空气进
气道的网格数约为300万个，冲压引射进气道的网格数约为459万个，同时为了能够使计算结果更为精准，在近壁面位置对网格进行加密处理。
3 冲压引气与冲压引射引气流场分析
本文主要针对飞机在低速飞行时，机载空调系统热沉不足问题进了研究，考虑在冲压空气进气道中安装引射器来增大冲压空气的引气量，进而提高制冷量。同时研究了高速飞行条件下引射器对冲压空气引气量的影响。
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