APU进/排气系统与本体性能的跨维度耦合仿真建模

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32755

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APU进/排气系统与本体性能的跨维度耦合仿真建模

马双超¹^,²^,³, 王新尧⁴, 李传鹏⁴, 任恒英²(), 庞亮玮²

^1. 西北工业大学国家卓越工程师学院，西安 710072
^2. 航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089
^3. 飞行器数字敏捷设计全国重点实验室，西安 710089
^4. 南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016

收稿日期:2025-09-05 修回日期:2025-10-16 接受日期:2025-12-04 出版日期:2025-12-25 发布日期:2025-12-23
通讯作者: 任恒英

Cross-dimensional coupling simulation and modeling for APU intake/exhaust system and its own performance

Shuangchao MA¹^,²^,³, Xinyao WANG⁴, Chuanpeng LI⁴, Hengying REN²(), Liangwei PANG²

^1. National Elite Institute of Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2. AVIC The First Aircraft Design Institute，Xi’an 710089，China
^3. National Key Laboratory of Digital and Agile Aircraft Design，Xi’an 710089，China
^4. College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Received:2025-09-05 Revised:2025-10-16 Accepted:2025-12-04 Online:2025-12-25 Published:2025-12-23
Contact: Hengying REN

摘要/Abstract

摘要：

现有的研究多采用零维仿真模型对辅助动力装置（APU）进行总体性能仿真，而忽略了不同工况下进/排气系统总压损失变化对APU总体性能的影响。为提高计算结果的准确性，基于完全耦合的维度缩放方法将高精度的三维计算流体力学（CFD）计算模型与低精度的零维仿真模型相结合，建立了APU零维稳态模型（AZSM）与APU多维度稳态模型（AMSM），实现了APU进/排气系统与APU本体性能的一体化计算。基于上述方法，对典型工况进行计算分析，并与常用商用软件Gasturb的计算结果进行对比，进而分析飞行高度（H）和飞行速度（Ma）变化对各参数的影响。结果表明，工况1下（地面静止状态）AZSM、AMSM的计算结果精度均提升0.02%；工况2下（9 km高空飞行状态）AZSM的计算结果精度提升12.75%，AMSM计算结果精度提升19.42%；工况3下（12 km高空飞行状态）AZSM的计算结果精度提升8.54%，AMSM的计算结果精度提升了24.27%。结果证明，AMSM可更准确地计算不同工况下APU的总体性能参数。

关键词: APU, 进/排气系统, 维度缩放, AZSM, AMSM

Abstract:

Most existing studies employ zero-dimensional simulation models for the overall performance simulation of the Auxiliary Power Unit （APU）， while ignoring the impact of total pressure loss changes in the intake/exhaust system on the overall performance of the APU under different operating conditions. To improve the accuracy of calculation results， an APU Zero-dimensional Steady Model （AZSM） and an APU Multi-dimensional Steady Model （AMSM） were established. These models were achieved by integrating a high-fidelity three-dimensional Computational Fluid Dynamics （CFD） flow field calculation model with a low-fidelity zero-dimensional simulation model via a fully coupled dimensional scaling method， enabling the integrated calculation of the performance of the APU intake/exhaust system and the APU itself. Based on the aforementioned method， this study conducts computational analysis under three typical operating conditions， compares the results with those from the commonly used commercial software Gasturb， and further analyzes the impact of flight altitude （H） and flight speed （Ma） variations on various parameters. The results show that： in Case 1 （ground static state）， the calculation accuracy of both the AZSM and the AMSM increased by 0.02% compared with the results from Gasturb； in Case 2 （flight state at 9 km altitude）， the calculation accuracy of the AZSM increased by 12.75%， while that of the AMSM increased by 19.42%； in Case 3 （flight state at 12 km altitude）， the calculation accuracy of the AZSM increased by 8.54%， and that of the AMSM increased by 24.27%. These results confirm that the AMSM can more accurately calculate the overall performance parameters of the APU under different operating conditions.

Key words: APU, intake/exhaust system, dimension scaling, AZSM, AMSM

中图分类号:

V231.1

马双超, 王新尧, 李传鹏, 任恒英, 庞亮玮. APU进/排气系统与本体性能的跨维度耦合仿真建模[J]. 航空学报, 2026, 47(7): 632755.

Shuangchao MA, Xinyao WANG, Chuanpeng LI, Hengying REN, Liangwei PANG. Cross-dimensional coupling simulation and modeling for APU intake/exhaust system and its own performance[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(7): 632755.

图/表 18

图 1

表1

图 2

图 3

图 4

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表2

图 11

表3

图 12

表4

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参考文献 21

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

部件	参数	数值
进气道	流量/（kg·s^-1）	3.17
动力压气机	压比效率	6.8 0.75
负载压气机	导叶角度/（°）压比效率	75 3.5 0.75
燃烧室	出口总温/K	1 380
涡轮	效率	0.85

参数	参考值^［5］	AZSM	AMSM	Gasturb
APU当量功率/kW	272.00	272.44	272.16	272.06
APU当量耗油率/（kg·kW^-1·h^-1）	0.502	0.514	0.506	0.500
APU动力压气机耗功/kW	620.00	621.53	620.47	620.12
APU动力压气机出口温度/K	615.00	616.74	615.56	615.44
APU供油量/（kg·s^-1）	0.038 0	0.038 2	0.037 9	0.038 0
APU涡轮功/kW	931.00	931.24	931.35	931.11
APU排气温度/K	781.00	781.44	781.32	781.06
APU负载压气机耗功/kW	209.00	208.57	209.73	209.01
APU负载压气机出口相对折合流量/（kg·s^-1）	0.423 0	0.429 9	0.429 9	0.429 9

工况	大气压力/Pa	大气温度/K	Ma	流量/（kg·s^-1）
1	101 325	288	0	3.17
2	29 647	228	0.7	1.20
3	18 547	217	0.8	0.96

工况	修正后的总压恢复系数	修正后的流量/（kg·s^-1）	精度提升幅度/%
2	0.81	1.22	18.44
3	0.74	0.99	24.16

APU进/排气系统与本体性能的跨维度耦合仿真建模

Cross-dimensional coupling simulation and modeling for APU intake/exhaust system and its own performance

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