商用飞机壁面夹层通道气流保温方法

论文摘要

商用客机通常在离地面一万米高空巡航,舱外温度可低至-65℃。为了给舱内创造适宜的温度环境,需要给飞机设计合理的保温结构。飞机的保温结构主要由金属蒙皮、保温层和装饰衬层组成。目前飞机上使用的保温材料是玻璃纤维丝棉,这种材料的多孔质地结构极易吸收水分。尤其当飞机停泊在湿度较大的机场时,吸湿现象将更加严重。飞机在巡航时保温层承受着舱内外很大的温差,在飞机起飞后保温层内吸收的水分将发生凝结甚至结冰,而当飞机着陆时所结的冰又会融化,如此反复给飞机带来了巨大危害。为抑制保温材料吸湿,最好的办法是减少保温层的使用量或开发新型的保温方式。本文设计了一种在蒙皮与衬层之间构建夹层送风通道来给飞机提供保温的通风结构,在飞机机身底部送入经发动机压缩后的高温干燥空气,空气流经夹层风道时与通道壁面发生对流换热,同时带走蒙皮与衬层之间可能存在的凝结水,冷却降温后的空气最后经位于机舱顶部的散流器送入舱内。这种设计既可以为发动机供给的压缩空气降温,同时也可以为机舱提供保温,并且可以保持通风道的干燥。为验证此系统的可行性,本文以计算流体力学（CFD）为主要工具,研究了使用该新型保温结构的一段单通道飞机客舱,建立了包含金属蒙皮、保温层、夹层送风通道、衬层以及舱内空间为计算域CFD模型。计算模型以飞机夜间巡航时舱外空气的静态温度与天空的背景辐射温度为热边界条件,运用RNG k-ε模型来近似气流的湍动效应,通过耦合求解固体域内的热传导以及通风道与舱内流体的流动与传热,获得了整个通风结构的温度分布与传热性能。然后在实验室建立了一段应用该新型气流保温系统的小型飞机模拟舱,将其置于低温冷库内并冷却至大约-19℃。应用Pt100铂电阻等测温装置测试蒙皮外壁面、通风道以及衬层内外表面的温度分布,并建立了相应的CFD计算模型。然后将获得的实验数据与模拟结果进行对比,从而验证计算模型的可信度。研究结果表明,CFD模拟获得的温度与气流速度分布与实验测试结果较吻合。夹层气流保温系统可以为飞机提供良好的保温。得益于通道内靠近衬层侧气流的高温状态,舱内可以维持较为均匀的温度分布,因而可以大大缓解目前飞机中由于近窗处空气温度较低给邻窗而坐的乘客带来的不舒适感。当完全依赖夹层通道内的热气流进行保温时,送入的高温空气将导致飞机货舱中的温度过高,此时有必要对货仓加以保温。研究分析风道中的温度和速度分布可知,随着风道两侧壁面温差的增大,风道内流体温度分布的强烈不对称亦将导致速度分布的不对称。夹层风道内冷壁面侧的对流换热系数沿通道气流方向呈现出先减小而后增大的趋势。在夹层风道入口段受低温壁面的影响,邻近的气流速度迅速减小,边界层厚度迅速增加,这是因为冷壁面侧空气密度的增加阻碍了宏观流体的流动。当流动发展为湍流后,边界层厚度受到抑制,对流换热效果增强；且壁面温差越大,靠近冷壁面侧流动受到抑制更加明显,气流湍动效果更加强烈,由此可以增进与壁面的对流换热。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势
• 1.3 当前研究存在的问题
• 1.4 本文的研究内容
• 2 数值模型及求解方法
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 湍流模型方程
• 2.3 控制方程的离散化
• 2.4 控制方程的求解
• 2.5 壁面函数法
• 2.6 小结
• 3 飞机壁面夹层通道气流保温系统的实验研究
• 3.1 试验系统
• 3.2 实验测试仪器
• 3.3 实验结果
• 3.4 小结
• 4 夹层通道气流保温系统CFD计算模型的验证
• 4.1 数值模型的建立
• 4.2 模拟结果和实验结果的对比分析
• 4.3 小结
• 5 飞机壁面夹层气流的保温性能分析
• 5.1 通风通道气流保温系统CFD计算模型
• 5.2 使用壁面夹层保温系统的舱内温度分布
• 5.3 夹层通风通道内非对称对流换热分析
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 附录1 测温仪器的标定
• 附录2 模拟舱表面对流换热系数的估算
• 附录3 模拟舱表面有效辐射温度的估算
• 攻读硕士学位期间发表学情况术论文
• 致谢