(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利
(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202111507177.7
(22)申请日 2021.12.10
(65)同一申请的已公布的文献号
申请公布号 CN 113901595 A
(43)申请公布日 2022.01.07
地址 710065 陕西省西安市雁塔区电子二
路86号
(72)发明人 强宝平 王彬文 成竹 李剑
任战鹏
(74)专利代理机构 西安创知专利事务所 61213
代理人 马凤云
(51)Int.Cl.
G06F 30/15(2020.01)
G06F 30/28(2020.01)
B64F 5/00(2017.01)
G01K 13/024(2021.01)
G01L 11/00(2006.01)
G06F 113/08(2020.01)
G06F 119/14(2020.01)G06F 119/08(2020.01)(56)对比文件CN 113340604 A ,2021.09.03CN 213630779 U ,2021.07.06US 2009095480 A1,2009.04.16李冬梅 等.飞机发动机室内开车尾气排放引射.《装备环境工程》.2020，第17卷(第12期)，高雾.发动机排气系统喷水降温特性研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库电子期刊 工程科技I辑》.2019，第2019卷(第1期)，周展如.小型涡轮发动机通风冷却系统的研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库电子期刊 工程科技II辑》.2013，第2013年卷(第2期),Jaroslaw Markowskiet al.Model to Assess the Exhaust Emissions from the Engine of a Small Aircraft During Flight.《Procedia Engineering》.2017，第192卷审查员 段偲丽 (54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种实验室内飞机APU排气系
径；二、给定初始调整管道长度；三、确定引流管
道直径；四、判断飞机APU排气设备是否完全将尾
气收纳；五、风机选型；六、确定喷淋降温用水质
量流量；七、确定喷淋降温机构的数量。本发明为
实验室内飞机APU排气系统选型设计提供依据，
同时节省了物力和人力，解决了在实验室内进行
APU开车的问题，为实验室内气候试验的开展奠
定了重要基础，可完全排出高温高压的APU尾气，
保证了实验室内温度、压力的稳定，确保了飞机
及试验人员的安全，对高温尾气进行了降温处
理，保证排除实验室外的尾气不会对实验室外人
员造成危害。权利要求书2页 说明书5页 附图2页CN 113901595 B 2022.02.25
C N 113901595
B
1.实验室内飞机APU排气系统设计方法，所述实验室内飞机APU排气系统包括用于容纳飞机（7）的实验室（6）和将飞机APU排气输出至室外的飞机APU排气设备，飞机APU排气设备包括依次连接的初始调整管道（1）、引流管道（2）、蝶阀（3）和风机（4），初始调整管道（1）上设置有喷淋降温器（5），喷淋降温器（5）包括多个沿初始调整管道（1）长度方向均匀设置的喷淋降温机构，所述喷淋降温机构包括设置在初始调整管道（1）外的供水管（5‑2）和多个沿初始调整管道（1）长度方向均匀设置在初始调整管道（1）内壁上的喷淋环管（5‑1），所述喷淋环管（5‑1）朝向初始调整管道（1）内中心方向的侧壁上均匀开设有多个喷水孔；
供水管（5‑2）为具有一个输入管和多个输出管的供水管，供水管（5‑2）上输出管的数量与所述喷淋降温机构中喷淋环管（5‑1）的数量相等且一一对应，输出管上安装有阀门（5‑3）和流量传感器（5‑4）；
实验室（6）内靠近飞机APU排气口外3m位置处设置有排气口温度传感器（8），实验室（6）内位于飞机非工作区的位置处设置有实验室环境温度传感器（9）和实验室环境压力传感器（10）；
初始调整管道（1）和引流管道（2）均为圆管；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、确定初始调整管道直径：利用CATIA软件建立飞机APU排气口和飞机APU排气口周围的气流组织分布的三维模型，并采用混合网格形式对三维模型进行网格划分，把三维模型导入FLUENT软件中，获取在自然射流状态下飞机APU排气口周围的气流组织分布，获取气流在三个方向上的最大边界；根据公式D=L+△L，计算初始调整管道直径D，其中，L为气流喷射宽度或高度方向上的最大边界，△L为气流喷射宽度或高度方向上的边界安全预留值；
步骤二、给定初始调整管道长度：根据飞机APU排气口与其正对的实验室侧壁之间的距离给定初始调整管道长度，满足初始调整管道（1）为直管，且引流管道与初始调整管道（1）的衔接段为直管；
步骤三、确定引流管道直径：设定引流管道直径小于初始调整管道直径，在FLUENT软件中输入初始调整管道直径和设定的引流管道直径，进行数值计算，获取引流管道内的压力场；
在FLUENT软件中通过多次调整引流管道的转弯半径和管道内部光滑程度，并进行数值计算，获取满足压力场要求的引流管道直径；
步骤四、判断飞机APU排气设备是否完全将尾气收纳：利用确定的初始调整管道直径和确定的引流管道
直径在FLUENT软件中获取在自然射流状态下飞机APU排气设备是否完全将尾气收纳，当飞机APU排气设备能完全将尾气收纳时，执行步骤五；飞机APU排气设备不能完全将尾气收纳时，调整气流喷射宽度或高度方向上的边界安全预留值，执行步骤二和步骤三，直至飞机APU排气设备能完全将尾气收纳；
步骤五、风机选型：利用排气口温度传感器（8）实时采集飞机APU排气口外3m位置处温度，实验室环境温度传感器（9）实时采集实验室内环境温度；
逐渐增加风机（4）的频率，实验室内排气口温度传感器（8）所在位置处温度值先增大后减小，实验室内排气口温度传感器（8）所在位置处与实验室内实验室环境温度传感器（9）所在位置处温度值相同，且实验室内实验室环境压力传感器（10）所在位置处压力满足微正压指标，停止调节风机（4）的频率，选定满足需求的风机类型；
步骤六、确定喷淋降温用水质量流量：根据公式，
确定喷淋降温用水质量流量，其中，为初始调整管道内气流的质量流量，为初始调整管道内气流的平均比热容，为初始调整管道内气流的温度，为尾气排放安全设定温度，为喷淋降温用水蒸发百分比，β为
用水量安全系数，为水的比热容，△T为喷淋降温用水从初始温度变为水蒸气的温度变化量，△Q为水的比汽化潜热；
步骤七、确定喷淋降温机构的数量：根据初始调整管道长度确定喷淋降温机构的数量，多个喷淋降温机构的数量均匀布设在初始调整管道（1）上，根据喷淋降温用水质量流量确定每个喷淋环管（5‑1）上喷水孔的数量，使多个喷淋降温机构的喷水质量流量满足要求。
2.按照权利要求1所述的实验室内飞机APU排气系统设计方法，其特征在于：所述用水量安全系数β为1.5～2。
3.按照权利要求1所述的实验室内飞机APU排气系统设计方法，其特征在于：所述微正压指标为10Pa～80Pa。
4.按照权利要求1所述的实验室内飞机APU排气系统设计方法，其特征在于：所述尾气排放安全设定温度不大于80℃。
5.按照权利要求1所述的实验室内飞机APU排气系统设计方法，其特征在于：所述供水管（5‑2）为具有一个输入管和两至四个输出管的供水管。
实验室内飞机APU排气系统设计方法
技术领域
[0001]本发明属于密闭实验室内飞机APU开启过程中APU引流排气系统设计技术领域，具体涉及一种实验室内飞机APU排气系统设计方法。
背景技术
[0002]在全机气候实验室内进行气候实验，需要开启飞机APU为飞机提供动力。APU排除的高温、高压尾气如果直接排入实验室不但会破坏实验室内的温度、压力环境，同时尾气在实验室内积聚，也会对实验室和飞机甚至试验人员的安全造成威胁。因此，在实验室内开启飞机APU时，需要将尾气排出至实验室外。实验室内飞机APU排气设备包括初始调整管道、用于将气体排出实验室外的引流管道和安装在引流管道的排气端的风机，初始调整管道内设置有喷淋降温设备，现有实验室内飞机APU排气系统搭建均是根据经验，随机的选取参数构建实验室内飞机APU排气系统，这样导致管道尺寸较大，超过新风补气能力，造成风机功耗大，喷淋降温设备喷淋水量巨大，资源浪费，因此，现如今缺少一种节省物力和人力的实验室内飞机APU排气系统设计方法，为实验室内气候试验的开展奠定了重要基础。
发明内容
[0003]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种实验室内飞机APU排气系
统设计方法，为实验室内飞机APU排气系统选型设计提供依据，同时节省了物力和人力，解决了在实验室内进行APU开车的问题，为实验室内气候试验的开展奠定了重要基础，可完全排出高温高压的APU尾气，保证了实验室内温度、压力的稳定，确保了飞机及试验人员的安全，对高温尾气进行了降温处理，保证排除实验室外的尾气不会对实验室外人员造成危害，便于推广使用。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：实验室内飞机APU排气系统设计方法，所述实验室内飞机APU排气系统包括用于容纳飞机的实验室和将飞机APU排气输出至室外的飞机APU排气设备，飞机APU排气设备包括依次连接的初始调整管道、引流管道、蝶阀和风机，初始调整管道上设置有喷淋降温器，喷淋降温器包括多个沿初始调整管道长度方向均匀设置的喷淋降温机构，所述喷淋降温机构包括设置在初始调整管道外的供水管和多个沿初始调整管道长度方向均匀设置在初始调整管道内壁上的喷淋环管，所述喷淋环管朝向初始调整管道内中心方向的侧壁上均匀开设有多个喷水孔；
[0005]供水管为具有一个输入管和多个输出管的供水管，供水管上输出管的数量与所述喷淋降温机构中喷淋环管的数量相等且一一对应，输出管上安装有阀门和流量传感器；[0006]实验室内靠近飞机APU排气口外3m位置处设置有排气口温度传感器，实验室内位于飞机非工作区的位置处设置有实验室环境温度传感器和实验室环境压力传感器；[0007]初始调整管道和引流管道均为圆管；
[0008]其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0009]步骤一、确定初始调整管道直径：利用CATIA软件建立飞机APU排气口和飞机APU排
气口周围的气流组织分布的三维模型，并采用混合网格形式对三维模型进行网格划分，把三维模型导入FLUENT软件中，获取在自然射流状态下飞机APU排气口周围的气流组织分布，获取气流在三个方向上的最大边界；根据公式D=L+△L，计算初始调整管道直径D，其中，L为气流喷射宽度或高度方向上的最大边界，△L为气流喷射宽度或高度方向上的边界安全预留值；
[0010]步骤二、给定初始调整管道长度：根据飞机APU排气口与其正对的实验室侧壁之间的距离给定初始调整管道长度，满足初始调整管道为直管，且引流管道与初始调整管道的衔接段为直管；
[0011]步骤三、确定引流管道直径：设定引流管道直径小于初始调整管道直径，在FLUENT 软件中输入初始调整管道直径和设定的引流管道直径，进行数值计算，获取引流管道内的压力场；
[0012]在FLUENT软件中通过多次调整引流管道的转弯半径和管道内部光滑程度，并进行数值计算，获取满足压力场要求的引流管道直径；
[0013]步骤四、判断飞机APU排气设备是否完全将尾气收纳：利用确定的初始调整管道直径和确定的引流管道直径在FLUENT软件中获取在自然射流状态下飞机APU排气设备是否完全将尾气收纳，当飞机APU排气设备能完全将尾气收纳时，执行步骤五；飞机APU排气设备不能完全将尾气收纳时，调整气流
喷射宽度或高度方向上的边界安全预留值，执行步骤二和步骤三，直至飞机APU排气设备能完全将尾气收纳；
[0014]步骤五、风机选型：利用排气口温度传感器实时采集飞机APU排气口外3m位置处温度，实验室环境温度传感器实时采集实验室内环境温度；
[0015]逐渐增加风机的频率，实验室内排气口温度传感器所在位置处温度值先增大后减小，实验室内排气口温度传感器所在位置处与实验室内实验室环境温度传感器所在位置处温度值相同，且实验室内实验室环境压力传感器所在位置处压力满足微正压指标，停止调节风机的频率，选定满足需求的风机类型；
[0016]步骤六、确定喷淋降温用水质量流量：根据公式，
确定喷淋降温用水质量流量，其中，为初始调整管道内气流的质量流量，为初始
调整管道内气流的平均比热容，为初始调整管道内气流的温度，为尾气排放安全设定
温度，为喷淋降温用水蒸发百分比，β为用水量安全系数，为水的比热容，△T为喷淋降温用水从初始温度变为水蒸气的温度变化量，△Q为水的比汽化潜热；
[0017]步骤七、确定喷淋降温机构的数量：根据初始调整管道长度确定喷淋降温机构的数量，多个喷淋降温机构的数量均匀布设在初始调整管道上，根据喷淋降温用水质量流量确定每个喷淋环管上喷水孔的数量，使多个喷淋降温机构的喷水质量流量满足要求。[0018]上述的实验室内飞机APU排气系统设计方法，其特征在于：所述用水量安全系数β为1.5～2。
[0019]上述的实验室内飞机APU排气系统设计方法，其特征在于：所述微正压指标为10Pa ～80Pa。
[0020]上述的实验室内飞机APU排气系统设计方法，其特征在于：所述尾气排放安全设定
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