飞机
随着航空事业的迅速发展，航空发动机向大气排放的污染物也日益受到重视。各设计单位在不断追求发动机性能的同时，更向着低污染、低噪声及高可靠性方向发展。为使发动机能够满足世界卫生组织日益严格的环保要求，必须降低污染物排放。
美国环境保护局（Environmental Protection Agency，EPA）于1973年颁布了世界上第一个《对来自飞机和飞机发动机的空气污染控制》法规，对各种航空燃气轮机作了一系列强制性的污染标准排放规定。
国际民航组织（International civil aviation organization，ICAO）与中国民用航空局也制定了污染物排放标准，明确规定要对航空发动机排气中的气体污染物和固态污染物进行测试并符合相关标准的要求。
飞机
国内外研究方面，Enis等在2014年对航空发动机排气污染物、冒烟等进行了大量的研究。
中国相关研究单位也针对发动机排气污染物进行了相关研究，并形成了HB6116—2020《航空燃气涡轮发动机排气冒烟测量方法》和HB6117—2020《航空燃气涡轮发动机气态污染物的连续取样及测量方法》等相关标准，但上述标准中只提供了尾气测量的方法、测点排布要求以及数据处理方法，对于航空发动机尾气测量装置的研究较少。
考虑到测量装置的精度和性能决定测量结果的准确性和可靠性，因此有必要对其开展研究。
目前常用的测量方法是在发动机尾流场中布置尾气采样装置，通过尾气采样装置将采集到的尾气输送至对应的组分分析设备中进行测量。
而随着发动机性能的提升，现有燃气涡轮发动机的排气温度可能达到1500℃以上，超过常规金属材料熔点（1200～1400℃）。
除此之外，尾气采样装置固定于发动机尾流场中，受到来自发动机的高温气流冲击载荷，因此采样装置的设计成为发动机排气污染物测量的关键难点之一。
考虑到常规设计方法难以对加装冷却结构的采样装置的冷却效果和结构强度进行分析，因此参考国内外相关发动机高温部件的耦合设计方法，提出采用热-流-固耦合方法开展采样装置的结构设计和冷却效果评估。
发动机
1初步设计1.1采样装置外形设计
根据采样装置设计的相关标准要求，结合试验所用发动机的相关参数开展采样装置的初步设计，其中试验用发动机尾喷管直径为850mm。所设计的采样装置每支等环面分布3个取样点，共安装4支，安装方式如图所示。
采样装置安装系统图
初步设计的采样装置如图所示，主要由采样装置主体、引气管路以及用于对采样装置内部进行冷却的冷却管路组成。采样装置主体采用GH3536材料制成，能够满足在温度不高于1273K下的长期使用。
试验时，将采样装置固定在发动机尾流场中，采样装置的采样点距离发动机尾喷管出口的轴向距离不大于0.5倍喷管直径，采样点正对来流，通过引气管路将发动机尾气引入排气污染物分析装置中，采用水冷方式对采样装置进行冷却。
采样装置结构示意图
1.2冷却方案设计
在完成采样装置外形及内部管路设计后，需要设计冷却结构，综合考虑采样装置内部空间限制和加工成本后，共设计三种冷却方案，具体如图所示。
其中方案1为冷却水从采样装置底部背风面注入，被加热后从底部靠近迎风面一侧的管路流出，进出水管路直径均为12mm。
方案2为从采样装置背风面一侧伸入一根进水管路至采样装置端部，经过加热的水从采样装置根部靠近迎风面一侧流出。
与方案2相比，方案3在伸入采样装置内部的冷却水管上沿周向开一定数量直径为2mm的小孔，在采样装置背风面靠近端部位置预留80mmx20mm的排水口供冷却水流出。
采样装置冷却结构示意图
2采样装置冷却效果分析2.1流场分析
采样装置在发动机尾流场中受到高温高压气流冲击作用，需要对其所受气动载荷和温度载荷进行分析。
使用Fluent软件进行流场分析，共划分混合网格单元约205万，求解采用基于密度的求解器，选择压力进口和压力出口边界条件，根据前期车台地面试验测试结果，设置进口总压230KPa，进口总温1800K。
湍流模型为RealizableK-ε双方程模型和scalable Wall Function壁面函数。其中，K为紊流脉动动能，ε为紊流脉动动量的耗散率。
如图所示为采样装置耙体表面压力和温度分布云图，可以看出，由于采样装置端部位于发动机尾流核心流中，高温气流滞止于迎风面上，因此采样装置迎风面端部存在一个高温高压区域。
采样装置表面压力温度云图
如图所示为采样装置安装截面发动机轴线高度沿水平方向流体温度分布曲线，可以看出，在离开发动机尾流的高温核心流后，流场温度显著降低，因此采样装置前端迎风面温度和压力显著高于其余部位的温度和压力。
采样装置安装截面沿水平方向温度分布曲线
2.2换热理论分析
采样装置安装在发动机尾流场中，高温气流横掠穿过采样装置外表面，符合流体横掠单管的流动特征，因此采用流体横掠单管的强制对流换热方法进行换热系数求解。
研究表明，高温流体横掠单管时，换热系数在整个圆柱表面有着较为剧烈的变化，但现有求解方法难以对各部位换热系数进行求解，因此对于常见的工程实践问题，通常只求解平均换热系数。目前，通常采用基于经验的准则关系式求解平均换热系数。
研究表明，流体横掠圆管的换热可以用公式表示为
式（1）中：nu为表征对流换热能力的无量纲数；Pr即普朗特数；雷诺数Re中的特征流速为通道来流速度ｕ∞，m/s；C与n为经验系数，取值根据Re而定。Chuichill与Bernstein对于流体横向外掠圆管提出了在整个试验范围内都适用的准则式，即
2.3采样装置冷却效果分析
2.3.1表面热流密度计算
对采样装置在发动机尾流中的流场进行分析可以看出，采样装置受到发动机尾流的温度载荷和压力载荷，迎风面最大压力约为200KPa，表面最高温度约为1750K，远超常规金属材料的熔点，因此需要对采样装置进行冷却方案设计，并评估其冷却效果能否满足使用需求。
首先对高温气流横掠采样装置的表面平均换热系数进行分析，根据流场计算，来流温度t∞＝1750K，大气温度tw＝290K，因此式（2）中的定性温度为1020K，特征长度为采样装置的迎风面宽度L＝0.03m。
查阅定性温度下的空气热物理性质可得，该温度下的空气Pr=0.713，密度ρ=0.329kg/m3，导热系数λ=0.0718W/（m·K），运动黏度υ=1.348×10－4m2／s。流场分析得到采样装置迎风截面的核心流平均来流流速u∞=1100m/s，因此Re为
计算可得，RePr≫0.2，符合式（2）适用条件，将上述参数代入式（2）中，求得采样装置表面平均nu＝405.5，因此表面平均换热系数h为
高温气流横掠采样装置的面平均热流密度q为
2.3.2不同方案冷却效果分析
在求得采样装置的面平均热流密度后，将其作为第二类边界条件加载到采样装置表面，使用单向热-流-固耦合方法对三种冷却方案进行冷却效果分析，以验证所设计水冷装置的有效性。
使用Ansys Workbench平台进行采样装置的热-流-固耦合分析，采用四面体非结构网格，对
采样装置内壁面和冷却管射流出口小孔等位置进行加密，以方案3为例，局部网格划分结果如图所示，共划分网格单元593万。除此之外，方案1和方案2的网格数量分别为320万和402万。
局部网格示意图
在Fluent软件中对几种冷却方案进行冷却效果分析。设置流体域为压力进口和压力出口边界条件，固体材料为高温合金，定性温度下的传热系数为31.14W／（m·K），根据前期调试结果，设置冷却水进口压力为300KPa，温度为290K，将前文中求得的热流密度作为壁面边界条件施加到采样装置外壁面上，模拟高温气流对采样装置传递的热量，对三种方案采用完全相同的求解器设置。
从图（a）中的流场分析结果可以看出，采样装置迎风面暴露在发动机核心尾流中的部分温度最高，因此取该位置中心曲线温度进行对比分析，所选择的数据点如图7所示。
提取数据点位置示意图
三种冷却方案的迎风面中心温度变化曲线如图所示，其中横坐标为数据点距离发动机中心轴图线的距离。
可以看出，相同压力下，三种冷却方案的迎风面温度变化有较大的差异，方案1中的表面最高温度超过1600K，远超GH3536材料熔点温度，无法满足使用要求；方案2表面最高温度约为840K，方案3表面最高温度约为1240K，均能够满足设计要求。
3种方案迎风面温度变化曲线
如图所示为三种方案的采样装置内部湍流强度分布云图，湍流强度定义为
可以看出，方案1中冷却水从底部背风面一侧注入，水流从另一侧流出，冷却水流扰动只能到达采样装置中部，端部的水流处于相对静止状态，只能通过热传导进行换热，换热系数小，因此端部温度最高。
方案2中将冷却水通过管道输送到采样装置端部，冷却水从采样装置根部流出，水流在采样装置内部形成一个循环，湍流强度大，换热效果好，因此迎风面最高温度仅为840K。
方案3采用冲击换热方案，但射流管路布置于靠近背风面一侧，射流无法到达采样装置迎风面的高温区，且由于冷却水流出口靠近射流管路，出口压力较低导致部分冷却水进入后，直接从出口流出，未能充分参与换热，导致采样装置迎风面温度整体高于方案2的迎风面温度。
3种方案湍流强度对比
如表所示为三种方案的冷却水出口平均温度和出口最高温度，可以看出，方案2的换热效果最好，冷却水温升最高，约为18.7K；方案3中由于部分冷却水直接从出口流出，导致平均温升最低，约为5.6K；方案1的冷却水出口温度介于方案2和方案3之间。
三种方案出口温度对比
2.3.3进口压力对冷却效果影响分析
图所示为方案2和方案3中冷却水进口压力对采样装置表面温度影响。
可以看出，当冷却水进口压力从0.3mPa增加到0.4mPa时，方案2迎风面最高温度从840K降低至约804K；方案3中的迎风面最高温度从1240K降低至约1210K，这是由于随着进口水压力增加，流速增加，换热系数随之增大，冷却效果增强，使得采样装置壁面温度降低。
进口压力对采样装置表面温度影响
2.4结构强度分析
将前文中流场计算得到的采样装置表面压力分布和温度分布作为输入参数，进行热应力和气动力下的采样装置结构强度分析。将流场计算得到的表面温度导入Steady-statethermal模块中进行采样装置温度求解，然后将求解数据导入静强度分析模块作为温度载荷。
将前文流场计算得到的采样装置表面所受气动力导入静强度分析模块作为气动载荷，同时对采样装置底部壁面施加固定约束，以模拟采样装置真实的安装固定方式。
考虑到方案3所受温度载荷大于方案2，工况更为恶劣，因此对其进行静强度分析。经过计算，采样装置变形及应力分布如图所示，其中最大变形约为0.16mm，最大变形响应点位于采样装置端部；最大应力为31.46mPa，位于采样装置根部背风面一侧。
变形分布
已知GH3536材料1000℃下的持久强度为105mPa，定义采样装置的静强度安全系数为
式（7）中：σ为材料持久强度，mPa；σtot为危险截面最大合成应力，mPa；计算可得采样装置的静强度安全系数为3.34，具有足够的安全裕度。
应力分布
3结论采用热-流-固耦合方法对某型发动机排气污染物采样装置进行结构设计和冷却效果评估，得到如下结论。
（1）采样装置受到发动机尾流高温高压载荷，表面最大压力约为200KPa，最高温度约为1750K，理论分析可得，发动机尾流施加在采样装置表面的平均热流密度约为1.47×106W/m2。
（2）三种冷却方案中，方案1中冷却水无法到达采样装置端部，表面最高温度超过1600K，无法满足设计要求；方案2采样装置迎风面最高温度约为840K，冷却水出口平均温升为18.7K；方案3中采样装置迎风面最高温度约为1240K，平均温升5.6K，方案2和方案3均能满足使用要求。
（3）采用热-流-固耦合方法对方案3进行静强度分析，发现采样装置最大变形约为0.16mm，最大应力为31.46mPa，静强度安全系数为3.34，具有足够的安全裕度，满足设计要求。
飞机
作者观点：
为满足当前国际社会对于航空发动机排气污染物的严格要求，需要在航空发动机高温、高速尾流场中采集排气污染物并进行组分浓度测量。
在使用地面试车台开展某新型低冰点燃料尾气排放特性测量试验时，针对所用发动机排气温度较高的问题，设计了三种带水冷的尾气采样装置方案，并通过热-流-固耦合方法对三种方案的冷却效果和结构强度进行分析。
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