劉劍飛,袁慶燕
(1.空裝駐新鄉(xiāng)地區(qū)軍事代表室;2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司,河南 新鄉(xiāng)453049)
直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)在地面停機(jī)狀態(tài)或低速飛行狀態(tài)下工作條件非常惡劣,為此在環(huán)控系統(tǒng)制冷組件的散熱器冷風(fēng)道上加裝引射器,以保證散熱器冷邊流量,改善環(huán)控系統(tǒng)的工作條件。多噴嘴引射器由于具有混合室長(zhǎng)度短,流場(chǎng)分布均勻,重量輕等優(yōu)點(diǎn),被越來越多地應(yīng)用到直升機(jī)上。
Zeune和Runkin[1]運(yùn)用動(dòng)量平衡方程建立了引射器的基本理論基礎(chǔ);Keenan和Neulnann[2]建立了一維等壓混合模型,該模型是現(xiàn)在引射器理論分析的主要計(jì)算模型;Stoecker[3]認(rèn)為引射流體經(jīng)接受室收縮段加速后達(dá)到聲速,然后工作流體和引射流體以臨界壓力進(jìn)行混合;Kim[4,5]等人用CFD軟件模擬分析了引射器喉管面積對(duì)引射性能的影響。
王鎖芳、李立國[6]對(duì)六噴嘴超音速進(jìn)行性能計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明隨著工作流體的壓力比引射流體(PP/PH)的增加,引射比和引射比修整系數(shù)下降;邱義芬[7]等人提出了多噴嘴引射器的計(jì)算方法,并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明該方法精度較高;廖達(dá)雄[8]等人采用一維的處理方法,分析了各參數(shù)對(duì)引射性能的影響;何培杰[9]等人采用大渦模型對(duì)引射器的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行二維仿真計(jì)算,結(jié)果表明該方法可以較好的模擬引射器內(nèi)部流動(dòng)。
這些研究均偏重于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的引射器研究,即該類引射器有噴嘴、接受室、混合室和擴(kuò)壓室完整的結(jié)構(gòu),而對(duì)無擴(kuò)壓室的引射器研究較少,由于航空領(lǐng)域?qū)χ亓恐笜?biāo)要求較高,無擴(kuò)壓室引射器運(yùn)用更為廣泛。因此,本文對(duì)多噴嘴無擴(kuò)壓室引射器性能進(jìn)行理論分析,為該類引射器工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
從發(fā)動(dòng)機(jī)引來的高溫高壓氣體通過引射器噴嘴的膨脹作用形成一股射流,這股射流暴露在冷風(fēng)道的低能量流中并且在高、低能量?jī)晒闪黧w之間形成一個(gè)剪切面,通過粘性剪切力和流體擴(kuò)散的機(jī)械作用,高速工作流體的動(dòng)量和動(dòng)能逐漸傳遞給吸入的引射流體,當(dāng)混合完成后,工作流體和引射流體將成為能量和速度分布相同的一股流體,從而達(dá)到引射的目的。工作介質(zhì)流叫做工作流體。工作流體以很高的速度從噴嘴出來,進(jìn)入噴射器的接受室,并把在噴射器前的壓力較低的介質(zhì)吸走,被吸走的流體叫做引射流體。
引射器的工作原理是基于以下三個(gè)基本物理定律。
(1)能量守恒定律
ip+ μiH=(1+ μ)ic
式中:ip為在滑油散熱引射器前工作流體的焓,kJ/kg;
iH為在滑油散熱引射器前引射流體的焓,kJ/kg;ic為在滑油散熱引射器之后混合流體的焓,kJ/kg;
(2)質(zhì)量守恒定律
式中:GP為工作流體的質(zhì)量流量,kg/s;
GH為引射流體的質(zhì)量流量,kg/s;
GC為混合流體的質(zhì)量流量,kg/s。
(3)動(dòng)量守恒定律
式中:ωP1為在混合室入口截面上工作流體的速度(m/s);
ωH1為在混合室入口截面上引射流體的速度(m/s);
ωC為在混合室出口截面上混合流體的速度(m/s);
PP1為在混合室入口截面上工作流體的靜壓力(Pa);
PH1為在混合室入口截面上引射流體的靜壓力(Pa);
PC為在混合室出口截面上混合流體的靜壓力(Pa);
fP1為進(jìn)入混合室時(shí)工作流體的截面面積(m2);
fH1為進(jìn)入混合室時(shí)引射流體的截面面積(m2);
fC為在混合室出口處混合流體的截面面積(m2);
(1)計(jì)算相對(duì)壓力
相對(duì)壓力:指在給定截面上等熵流動(dòng)氣體靜壓力與滯止壓力之比。
式中,PH為引射流體壓力,Pa;
PP為工作流體壓力,Pa。
(2)根據(jù) ΠPH和氣體動(dòng)力函數(shù)表得到:λPH,qPH,εPH。
其中,λPH為折算等熵速度;
qPH為折算質(zhì)量速度;
εPH為相對(duì)密度。
(3)計(jì)算混合流體出口溫度
式中,TC為混合流體溫度,K;
TP為工作流體溫度,K;
TH為引射流體溫度,K。
(4)計(jì)算相對(duì)比體積
因?yàn)閴毫c事先不知道,預(yù)先取pc=pH??梢缘玫剑?/p>
(5)計(jì)算最佳截面比(fc/fp*)最佳
在計(jì)算過程中,速度系數(shù)值選定為:φ1=0.95;φ2=0.975;φ3=0.9;φ4=0.925
式中,a= φ1φ2qPH;
(6)計(jì)算特性曲線方程
式中,fH2=fc-fp1
本文以給XX型飛機(jī)配套的滑油散熱引射器為例,進(jìn)行性能分析。
試驗(yàn)件的物理結(jié)構(gòu)為:引射流體入口面積為480 mm×240 mm;混合流體入口面積為260 mm×200 mm;噴嘴的喉部直徑d1為3.6 mm,出口直徑為5 mm,噴嘴共有20個(gè),均勻分布在200 mm×100 mm的長(zhǎng)方形邊線上;噴嘴出口距混合室入口的長(zhǎng)度為250 mm,混合室長(zhǎng)度為300 mm。計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1 理論計(jì)算引射比(μ1)
本文使用Ansys17.2軟件,采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型,運(yùn)用雷諾時(shí)均方程法對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。
2.2.1 仿真計(jì)算模型
在ANSYS-Workbench中導(dǎo)入引射器的三維模型,對(duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,最終得到的仿真計(jì)算模型如圖2所示。
圖2 流體簡(jiǎn)化模型
2.2.2 計(jì)算流體域網(wǎng)格劃分
本文采用了四面體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證分析,最終網(wǎng)格單元數(shù)量1000萬。
2.2.3 邊界條件的確定
從引射器結(jié)構(gòu)圖,可以得出共有5個(gè)邊界:工作流體入口、引射流體入口、引射器壁面、對(duì)稱軸和混合室出口。
(1)工作流體入口邊界條件
工作流體入口邊界條件設(shè)為速度入口,速度大小由工作流體的溫度來確定。
(2)引射流體入口邊界條件
引射流體入口邊界條件取壓力入口邊界,引射流體入口壓力為一個(gè)大氣壓,即101 kPa(絕壓),溫度為25℃。
(3)引射器內(nèi)壁面處理
本模型取固壁邊界,即零速度邊界條件,同時(shí)認(rèn)為引射器與外界無熱交換。
(4)中心對(duì)稱軸邊界條件
中心對(duì)稱軸取物理模型的對(duì)稱軸。
(5)混合室出口邊界條件
混合室出口邊界取壓力出口邊界,本模型認(rèn)為混合流體的出口壓力為大氣壓,即101 kPa(絕壓)。
2.2.4 仿真結(jié)果分析
為清楚的反應(yīng)引射器內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況,本文截取沿流動(dòng)方向的截面。
(1)速度場(chǎng)分布(如圖 3)
圖3 速度流場(chǎng)分布圖
(2)流線圖(如下圖)
圖4 流線圖
(3)組分分布云圖(如圖5)
圖5 組云布云圖
經(jīng)仿真分析可知,引射器在工作壓力0.48 MPa(絕壓)、溫度265℃,入口流量為756 kg/h,被引射的冷邊入口質(zhì)量流量為9 637.2 kg/h,引射比為12.7。試驗(yàn)值為12.14,理論計(jì)算與試驗(yàn)值較為接近。由于計(jì)算量較大,本文僅對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算,導(dǎo)致結(jié)果存在一定的偶然性。
2.3.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)件、工作流體管路、混合流體管路和測(cè)量溫度、壓力流量?jī)x表等組成。試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。
圖6 試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)
2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析
試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
定義一個(gè)新的函數(shù)來評(píng)價(jià)理論計(jì)算的誤差率。
式中,μ1為理論計(jì)算的引射比;μ2為試驗(yàn)測(cè)出的引射比。
計(jì)算結(jié)果如表3所示。誤差率變化曲線如圖7所示。
表3 誤差表
圖7 誤差率
通過上述分析,理論計(jì)算的誤差率小于10%,計(jì)算精確度較高,可以滿足工程設(shè)計(jì)需求。
通過以上的理論分析和試驗(yàn)對(duì)比可以得出以下結(jié)論:
(1)本文中給出的引射比計(jì)算方法誤差小于10%,說明本文給出的計(jì)算方法是準(zhǔn)確可靠的,可以滿足工程設(shè)計(jì)需求。
(2)工作流體的溫度和壓力對(duì)理論計(jì)算的精度影響較小。