王 凱，徐讓書(shū),b，韓 雷，朱建勇

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a 航空航天工程學(xué)部(院)；b 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

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TPS空氣橋與內(nèi)部流場(chǎng)分析

王 凱a，徐讓書(shū)a,b，韓 雷a，朱建勇a

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a 航空航天工程學(xué)部(院)；b 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

TPS試驗(yàn)技術(shù)是目前風(fēng)洞試驗(yàn)方法中最先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)模擬技術(shù)，空氣橋是TPS風(fēng)洞試驗(yàn)的動(dòng)力供給裝置，也是TPS風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。簡(jiǎn)要介紹了TPS和空氣橋的工作原理，重點(diǎn)闡述了空氣橋的布局與結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)并對(duì)國(guó)內(nèi)外空氣橋的研究發(fā)展情況作了簡(jiǎn)單敘述。為了研究高壓氣體對(duì)空氣橋內(nèi)部流場(chǎng)的影響，在最后部分對(duì)空氣橋內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了建模和數(shù)值模擬并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。

TPS；空氣橋；結(jié)構(gòu)；內(nèi)部流場(chǎng)；數(shù)值模擬

在TPS(Turbofan Powered Simulator)風(fēng)洞試驗(yàn)中，外部高壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪帶動(dòng)風(fēng)扇給氣體加壓，從進(jìn)氣口進(jìn)入的氣體由外涵道排出，驅(qū)動(dòng)渦輪的空氣由內(nèi)涵道排出[1-5]。渦輪風(fēng)扇動(dòng)力模擬器結(jié)構(gòu)如圖1。由于供氣管路傳輸?shù)臍怏w壓力較大，為了確保安全，必須采用鋼管，而剛性管路大大影響了天平測(cè)力的精度。因此如何減小高壓供氣系統(tǒng)對(duì)模型天平測(cè)力的干擾并使得測(cè)量裝置所測(cè)得結(jié)果最大限度接近模型外部氣動(dòng)力與TPS短艙推力的合力，是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題?？諝鈽蛞欢伺c天平固定端固結(jié)，另一端與天平的浮動(dòng)端連接，流體產(chǎn)生的載荷同時(shí)通過(guò)天平和空氣橋傳遞到模型的支撐系統(tǒng)。為確定模型的氣動(dòng)載荷，空氣橋在理想態(tài)下應(yīng)是穩(wěn)定性極高并且充滿柔性和彈性的供氣管路系統(tǒng)。

圖1 渦輪風(fēng)扇動(dòng)力模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

1 空氣橋的布局與結(jié)構(gòu)

1.1 空氣橋布局

TPS試驗(yàn)要求包括天平測(cè)量的精度誤差、空氣橋工作壓力、最大氣體流量、安裝空間直徑及工作溫度[6-9]。根據(jù)以上試驗(yàn)要求，首先確定補(bǔ)償單元的結(jié)構(gòu)形式，在滿足安裝空間的條件下，合理地連接各個(gè)補(bǔ)償單元，以減小空氣橋的剛度。在TPS風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，天平測(cè)量力和力矩在6個(gè)方向上的分量，所以空氣橋要為測(cè)量系統(tǒng)提供6個(gè)自由度。通過(guò)上述分析，最終確定空氣橋?yàn)?個(gè)補(bǔ)償單元的“鵝頸式”布局(如圖2所示)。

圖2 空氣橋的整體布局

這種空氣橋由鋼管與3個(gè)膨脹節(jié)構(gòu)成。兩個(gè)橫置的膨脹節(jié)可以吸收豎置膨脹節(jié)所產(chǎn)生的膨脹，1個(gè)豎置的膨脹節(jié)也可以吸收兩個(gè)橫置膨脹節(jié)的膨脹。它具有6個(gè)自由度，自身的剛度較小，克服壓力和溫度影響的能力較強(qiáng)。

1.2 膨脹節(jié)

膨脹節(jié)也叫伸縮節(jié)，或波紋管補(bǔ)償器。它的工作原理是：利用膨脹節(jié)內(nèi)部彈性元件的有效伸縮變形來(lái)吸收管線、導(dǎo)管或容器由于受到內(nèi)部或外部壓力、溫度影響等原因而產(chǎn)生尺寸變化的一種補(bǔ)償裝置，屬于一種補(bǔ)償元件，可對(duì)軸向、橫向和角向位移進(jìn)行吸收，用于在管道、設(shè)備及系統(tǒng)的加熱位移、機(jī)械位移吸收振動(dòng)和降低噪音等。膨脹節(jié)是空氣橋的關(guān)鍵部件，主要由金屬波紋管和柔性鉸鏈構(gòu)成。膨脹節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)

金屬波紋管是一種具有多個(gè)橫向波紋的圓波紋管柱形薄壁折皺的殼體，波紋管具有彈性，在壓力、軸向力、橫向力或彎矩作用下將產(chǎn)生位移。作為一種能夠自由伸縮的彈性補(bǔ)償元件，波紋管具有工作可靠、性能良好、剛度小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，在石油、化工、電力、船舶、核工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)者通常將波紋管作為空氣橋必需的結(jié)構(gòu)[10-11]。U 型波紋管在空氣橋設(shè)計(jì)中比較常用。U 型波紋管膨脹節(jié)具有比較優(yōu)良的柔性，在吸收機(jī)器產(chǎn)生的振動(dòng)與管道位移方面具有優(yōu)良的性能。但在實(shí)際應(yīng)用中,U形波紋管常常由于對(duì)軸向、角向的位移補(bǔ)償過(guò)大及承受過(guò)大的內(nèi)壓,致使局部處于屈服狀態(tài),從而導(dǎo)致波紋管發(fā)生破壞。所以只有加強(qiáng) U 型波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)，才能進(jìn)一步提高膨脹節(jié)的性能。此外還要注意波紋管設(shè)計(jì)參數(shù)的選用，包括材料、外徑、內(nèi)徑、波數(shù)、壁厚、有效長(zhǎng)度等，波紋管的外徑不能太大，否則波紋管受壓而產(chǎn)生的軸向膨脹力會(huì)大大增加。

空氣橋波紋管在高壓作用下會(huì)產(chǎn)生較大的軸向變形，這種變形將直接作用于高精度測(cè)力天平，影響天平測(cè)量精度。在空氣橋膨脹節(jié)設(shè)計(jì)中常采用彎曲剛度小且抗拉能力強(qiáng)的柔性鉸鏈封裝波紋管。這樣的組合可以有效消除波紋管在壓力作用下產(chǎn)生的軸向變形及其對(duì)天平測(cè)量精度的影響。圖4為柔性鉸鏈。

柔性鉸鏈上有4個(gè)兩兩交錯(cuò)橫置的細(xì)長(zhǎng)矩形梁，細(xì)長(zhǎng)矩形梁具有一定的抵抗軸向拉壓的能力，但抵抗彎曲的能力較弱。因此柔性鉸鏈對(duì)波紋管的軸向膨脹有較大的約束能力，同時(shí)柔性鉸鏈對(duì)波紋管的彎曲約束較弱?？紤]到柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)尺寸有限，因此由角變形引起的側(cè)向位移、軸向位移都可以忽略，同時(shí)由于柔性鉸鏈的存在，有效約束了波紋管繞y軸(中心軸)的扭轉(zhuǎn)。通過(guò)以上分析可知空氣橋膨脹節(jié)具有兩個(gè)角自由度，它可繞x，z軸作小角度旋轉(zhuǎn)。

圖4 柔性鉸鏈

在設(shè)計(jì)空氣橋柔性節(jié)時(shí)，首先要確定供氣管道的內(nèi)徑，這主要由TPS單元規(guī)定的氣體流量和工作壓力決定。為了盡量減小流體流動(dòng)對(duì)空氣橋的影響，管內(nèi)的流速在適當(dāng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)應(yīng)選擇最小。膨脹節(jié)內(nèi)兩個(gè)斷開(kāi)的鋼管管口應(yīng)當(dāng)盡可能對(duì)齊，中間的縫隙應(yīng)當(dāng)較小，這樣可以盡量避免膨脹節(jié)內(nèi)流體的流動(dòng)分離。應(yīng)當(dāng)使柔性鉸鏈的四個(gè)矩形梁盡可能長(zhǎng)，保證矩形梁在角位移方向的彎曲剛度最小[12]。

2 空氣橋的發(fā)展

上世紀(jì)80年代，德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)(Technical University Darmstadt)的B.Ewald教授對(duì)空氣橋進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。1982年DNW(德國(guó)—荷蘭聯(lián)合風(fēng)洞研究所)首次針對(duì)大型客機(jī)空客A300研制的空氣橋進(jìn)行了功能試驗(yàn)，次年進(jìn)行了校準(zhǔn)和生產(chǎn)試驗(yàn)。此空氣橋工作壓力為6 MPa，規(guī)定氣體流量為6 kg/s，安裝空間直徑為0.5 m。2002年NLR(荷蘭國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室)為空客A380專門(mén)研制了空氣橋RALD 2000(如圖5所示)，以滿足TPS風(fēng)洞試驗(yàn)要求。此空氣橋工作壓力為6 MPa,規(guī)定氣體流量為12 kg/s，安裝空間直徑為0.44 m。由于空客A400M軍用運(yùn)輸機(jī)在空氣動(dòng)力外形方面有較大變化，需要設(shè)計(jì)新型的空氣橋以滿足TPS試驗(yàn)要求。新的空氣橋系統(tǒng)包括原來(lái)的RALD 2000以及最新發(fā)明的空氣回流橋RALD 2001。新型空氣橋系統(tǒng)外形如圖6所示，性能如表1所示。

圖5 空氣回流橋RALD 2000

圖6 A400M的空氣橋系統(tǒng)

RALD20002001最大溫度/K343—最小溫度/K275263最大工作壓力/MPa816氣體流量/(kg·s-1)1212安裝直徑/m0.44符合模型要求

目前,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)空氣橋的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)較為成熟，已經(jīng)擁有可以用于TPS風(fēng)洞試驗(yàn)的一系列空氣橋。我國(guó)從1968年開(kāi)始在FL8風(fēng)洞進(jìn)行了第一次尾噴流試驗(yàn)，此后二十多年來(lái)進(jìn)行了通氣發(fā)房、尾噴流模擬器、帶引射器試驗(yàn)技術(shù)研究與多種型號(hào)帶動(dòng)力試驗(yàn)。但在1992年中國(guó)—烏克蘭民機(jī)合作以前，國(guó)內(nèi)從未進(jìn)行過(guò)一次TPS風(fēng)洞試驗(yàn)，也未正式進(jìn)行TPS風(fēng)洞試驗(yàn)相關(guān)設(shè)備研制工作。近年來(lái)，有些研究機(jī)構(gòu)為了滿足研究需要，陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)TPS單元并開(kāi)始著手進(jìn)行空氣橋的研制。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的章榮平、王勛年、黃勇等人為空氣橋的設(shè)計(jì)做了大量工作。其中章榮平以某軍用運(yùn)輸機(jī)為基礎(chǔ)，利用有限元分析方法成功設(shè)計(jì)出了能滿足TPS低速全模試驗(yàn)要求的空氣橋。

3 空氣橋內(nèi)部流場(chǎng)分析

由于空氣橋膨脹節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，波紋管的內(nèi)徑大于鋼管外徑，所以在波紋管、膨脹節(jié)兩端法蘭及其內(nèi)部的兩端鋼管之間形成一個(gè)狹小的腔體。高壓氣體流過(guò)膨脹節(jié)的一端時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)兩段鋼管之間的狹小縫隙進(jìn)入這個(gè)空腔。流經(jīng)整個(gè)空氣橋的氣體作用于空氣橋輸氣鋼管與膨脹節(jié)，氣體所具備的高壓對(duì)空氣橋的結(jié)構(gòu)有較大影響。所以，對(duì)空氣橋內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析非常重要[13-14]。

3.1 模型建立

圖7為作者最新設(shè)計(jì)的一款空氣橋的模型，該空氣橋的進(jìn)氣流量為2.5 kg/s，工作壓力為4 MPa，安裝直徑為0.4 m。其內(nèi)部流體模型如圖8所示。

圖7 空氣橋模型

圖8 空氣橋內(nèi)部流體模型

3.2 網(wǎng)格劃分

利用專業(yè)有限元網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD 15.0對(duì)流體模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格類型為六面體結(jié)構(gòu)，總網(wǎng)格數(shù)量約為64萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量符合計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)?？諝鈽蚩傮w網(wǎng)格如圖9所示。

圖9 空氣橋總體網(wǎng)格

由圖9可見(jiàn)波紋管所在的三處流體域的網(wǎng)格較密，這是因?yàn)橛刹y管、膨脹節(jié)兩端法蘭及其內(nèi)部的兩端鋼管之間形成的腔體狹小且其與波紋管內(nèi)壁交界處壁面呈波浪式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了對(duì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，故對(duì)此部分進(jìn)行網(wǎng)格加密。

3.3 數(shù)值計(jì)算

本文采用ANSYS FLUENT 15.0作為計(jì)算軟件，使用穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在模型入口處氣體的雷諾數(shù)Re=5180000，故求解模型設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型。由于通氣前氣體經(jīng)過(guò)加壓，其密度為定值并且馬赫數(shù)小于0.3，計(jì)算時(shí)視為不可壓縮流體，求解采用壓力求解器，離散格式為二階迎風(fēng)格式。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

本文計(jì)算了空氣橋在進(jìn)氣流量為2.5 kg/s、工作壓力為4 MPa條件下的流場(chǎng)情況。圖10a、10b和圖10c分別為對(duì)空氣橋流體模型數(shù)值計(jì)算得到的密度、速度和壓力云圖。由密度云圖可以看出，流場(chǎng)內(nèi)的密度在局部稍有變化，但總體變化不明顯，大小穩(wěn)定在46.4左右。空氣橋供氣鋼管內(nèi)的氣流速度相對(duì)穩(wěn)定，在氣流轉(zhuǎn)彎的近壁處速度有所升高，在轉(zhuǎn)彎部分較大半徑處壓力高于近壁處，這是由于流體因轉(zhuǎn)彎而產(chǎn)生離心力，使得外壁壓力增高而內(nèi)壁壓力降低。在轉(zhuǎn)彎部分加大半徑處出現(xiàn)擴(kuò)散效應(yīng)，在近壁處出現(xiàn)收縮效應(yīng)。

通過(guò)速度云圖可以看出在由波紋管、膨脹節(jié)兩端法蘭及其內(nèi)部的兩端鋼管之間形成的狹小腔體內(nèi)的氣流速度為零，原因是氣體通過(guò)狹縫進(jìn)入腔體并將其充滿后就不再互相交換氣體。觀察壓力云圖可以看出空氣橋進(jìn)口出口存在壓力損失，這是受空氣橋總長(zhǎng)度、管路內(nèi)徑和氣體粘性的共同影響而導(dǎo)致的，約為3%。

圖10 數(shù)值計(jì)算云圖

4 結(jié)論

本文首先對(duì)TPS工作原理作了簡(jiǎn)要介紹，進(jìn)而對(duì)TPS的重要部件空氣橋的布局和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述并介紹了空氣橋在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用與發(fā)展情況。最后對(duì)空氣橋內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值計(jì)算并且對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。通過(guò)論述和計(jì)算分析得出以下結(jié)論：

(1)空氣橋作為高壓供氣系統(tǒng)的補(bǔ)償元件，其工作壓力較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在滿足強(qiáng)度的同時(shí)必須盡可能減小自身剛度，所以空氣橋的設(shè)計(jì)對(duì)材料性能要求較高。

(2)在發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)空氣橋的研制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。在國(guó)內(nèi)，由于我國(guó)航空工業(yè)的飛速發(fā)展，空氣橋的研制技術(shù)也得到了一定進(jìn)步，但是和國(guó)外相比還有很大差距。

(3)高壓氣體流過(guò)空氣橋時(shí)密度變化不明顯。由于離心力的作用，在氣流轉(zhuǎn)彎處的壁面間存在較大的速度差。在空氣橋總長(zhǎng)度、管路內(nèi)徑和氣體粘性的共同作用下，空氣橋的出口處相對(duì)于進(jìn)口存在壓力損失。

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(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：劉敬鈺)

TPS air-supply line bridges and analysis of their inner flow fields

WANG Kaia，XU Rang-shua,b，HAN Leia，ZHU Jian-yonga

(a.Faculty of Aerospace Engineering; b.Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

TPS(Turbofan Powered Simulator)test technology is currently the most advanced turbofan engine simulation technology in the wind tunnel test.Air-supply line bridges，the critical components in TPS wind tunnel test measurement system,are used for energy support.In this paper,we briefly introduce the working principles of TPS and air-supply line bridges,mainly expound the layout and construction of air-supply line bridges as well as the emphasis in design process,and we simply present their research and development both home and abroad.Finally,in order to study the effects of high-pressure airflow on the inner flow field of air-supply line bridges,we analyzed the test results by building the model of inner flow field of air-supply line bridges and conducting the numerical simulation.

TPS;air-supply line bridges;construction;inner flow field;numerical simulation

2014-09-20

王凱(1989-)，男，山東淄博人，碩士研究生，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真，E-mail:wangkai450707@126.com；徐讓書(shū)(1962-)，男，浙江樂(lè)清人，教授，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真，E-mail:xurangshu@yahoo.com。

2095-1248(2015)02-0033-05

V216.8

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.007