排气活门安装流场分析

李力涛

【摘 要】本文通过三维流场仿真模拟排气活门在真实装机状态下，上方以及周围有设备时对其流场环境的影响，并给出最小自由流通区域，用于指导飞机设计时活门的安装布置。

【关键词】排气活门；三维流场仿真；自由流通区域

【Abstract】This document will simulate the flow stream of outflow valve base on the actual installation environmental.The simulation will have 3 condition：barrier above the valve，barrier above and left side on the valve and barrier above and around the valve.The minimum free flow space will be provided for guidance the valve installation.

【Key words】Outflow valve；3D flow simulation；Free flow space

0 序言

数字式座舱压力控制系统是目前大型民航机上应用比较多的一种压力控制系统，是在近三十年发展成熟起来的。数字式座舱压力控制系统主要由四个系统组件构成： 控制面板、压力控制器、排气活门、安全活门。压力控制器是压力系统的计算和控制中心，为了保证冗余控制，压力控制器一般设计成两套，从而提高控制系统的可靠性[1]。排气活门是系统的执行部件，用于控制座舱空气向舱外的排放速率，以实现舱内压力的规律性调节，同时具有推力恢复、双向密封作用[2]。

出于控制精度问题以及安装考虑，越来越多的大型飞机在设计时采用板阀作为排气活门（活门形式如图1所示）。目前国内对板阀研究较少，尤其是安装布置方面的研究出于真空状态。本文将通过三维流场仿真模拟活门在真实装机状态下周围安装设备对其流场环境的影响，并给出活门最小自由流通区域，用于指导今后大型商用飞机排气活门安装。

1 模型优化

在计算前，对几何模型进行了简化。在保留对流场产生主要影响的几何形状同时，去除次要的几何体，以达到减小网格划分难度的目的。在模型简化过程中，去除了阀门的连杆、铰链、电机箱表面的凸台、加强筋及孔洞，去除阀门座表面的加强筋。对于电机箱的支架以及作为障碍物的有限大平板，由于这些几何体一个方向向上的尺度远远小于其他两个方向上的尺度，因此将其当作无厚度的平板进行处理。经过简化后的几何模型如图2所示：

2 网格划分

由于本计算中物体几何结构复杂，本文采用四面体网格对流场区域进行划分。在阀门附近用细小的四面体进行空间填充，网格尺寸不大于5mm；对于远离物面的空间，网格尺寸逐渐增大。最大网格尺寸为50mm。

3 计算状态及边界条件

本计算的条件为飞机处于海平面静止状态，飞行高度为0公里，飞行速度为0。门阀处于全开状态，门阀外大气压力取为101325帕，门阀内外压差为101帕。

在本计算中，阀门内外压差很小，阀门外大气远场流速为0，且处于海平面高度，因此可以判断阀门周围流场中空气流速明显小于0.3倍音速，空气按照不可压缩流体进行计算，同时忽略温度对密度的影响，密度取为常值，为1.225kg/m3。参考压力取为101325Pa。

对于入口条件，选取入口条件类型为压力入口，总表压取为101Pa。

对于出口条件，选取出口条件类型为压力出口，静表压取为0Pa。

4 不同障碍物的位置对阀门流量影响的计算结果

在这里，考虑的障碍物位置包括阀的上方有障碍物、上方和左侧有障碍物及前后左右和上侧均有障碍物三种情况进行研究，并以挡板的形式代表障碍物。

4.1 周围及上方没有障碍物

对没有障碍物影响的阀门流量进行计算，并将其作为参考。

流量：0.746kg/s

4.2 上方有无限大障碍物，前后左右均无障碍物，

1、上方障碍物高度300mm

流量：0.734kg/s

2、上方障碍物高度400mm

流量：0.741345kg/s

3、上方障碍物高度500mm

流量：0.746kg/s

4、上方障碍物高度600mm

流量：0.745kg/s

5、上方障碍物高度700mm

流量：0.745kg/s

小结：由此可以看出，当上方障碍物距排气活门口大于400mm时，对活门流量产生影响可以忽略。

4.3 上方和左侧有障碍物，其余方向没有障碍物

1、上方高度300mm，左侧距离300mm

流量：0.755kg/s

2、上方高度300mm，左侧距离400mm

流量：0.735kg/s

3、上方高度500mm，左侧距离200mm

流量：0.791kg/s

4、上方高度500mm，左侧距离400mm

流量：0.760kg/s

小结：对于相同的上方障碍物高度，左侧障碍物靠近阀门口有助于改善阀门流通性能。

4.4 前后左右均有障碍物.并与上方障碍物有一定间距：

1、间距50mm

流量：0.695kg/s

2、间距100mm

流量：0.783kg/s

3、间距200mm

流量：0.807kg/s

4、间距400mm

流量：0.814kg/s

5、间距无穷大

流量：0.811kg/s

小结：由此可以看出，四周障碍物与阀门上方障碍物高度上应当存在100mm以上的间距，以保证空气流通。并且阀门四周均有一定高度的障碍物反而有助于改善全开状态下的阀门的空气的流通条件。

5 总结

通过上述结算结果可以看出，活门两侧的障碍物对活门流量影响较小，尤其活门左侧的障碍物，在一定条件下靠近活门时会增加活门流量。活门上部障碍物对活门影响较大，在不考虑两侧障碍物影响时，活门上部其他设备安装布置时应至少流出400mm的流通区域。

【参考文献】

[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2]党晓民，成杰，林丽.我国大型飞机环境控制系统研制展望[J].航空工程进展，2010，1（1）：43-45.

[责任编辑：汤静]