李向明，李玉芳

(中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710089)

0 引言

在非通風環(huán)境下進行發(fā)動機開車，應(yīng)盡量避免危險的發(fā)生。正常情況需要建立試車臺，有專用排風道和消音系統(tǒng)。對于某些有特殊情況的特殊需求，有時需要在非通風環(huán)境內(nèi)短時間對發(fā)動機進行開車，當有這樣的需求時，必須對所有工作設(shè)備的安全可靠進行風險預估，以提早做好安防防護，以避免不必要的風險。

1 非通風環(huán)境下發(fā)動機開車需要研究的內(nèi)容

為提出風險防護需求，需要對發(fā)動機正常工作需求和人員安全需求進行分析，并對非通風環(huán)境下發(fā)動機開車時對這些需求的影響水平進行考量，主要擬定研究內(nèi)容為：環(huán)境內(nèi)溫度場變化、溫度場影響范圍、氣體組分變化及噪音水平。

2 研究工具及數(shù)學模型

2.1 研究工具

研究過程中采用CATIA V5R18對研究對象進行模型搭建，流場和溫度場仿真[1]采用ICEM 14.0進行分析系統(tǒng)網(wǎng)格劃分，模型建立時應(yīng)避免網(wǎng)格劃分漏洞[2]的出現(xiàn)，在計算過程中應(yīng)正確劃出符合要求的貼體坐標網(wǎng)格[3]，用Fluent14.0及Starccm10.04.011對所需研究內(nèi)容進行運算和求解，尾流場按射流處理[4]，用Tecplot360 2015R1進行數(shù)據(jù)處理和分析。

為方便研究和節(jié)約時間，建模時對發(fā)動機進行簡化，僅考慮其作為廢氣源和熱源；對非通風環(huán)境建模時，3面封閉，1面開敞；坐標系建立時選取特定點為坐標原點，以出口方向與發(fā)動機軸線平行的軸為x軸，氣流出去方向為正；與發(fā)動機對稱平面平行且與x軸垂直相交的軸為y軸，向上為正；z軸由右手坐標系確定。流場分析時，以發(fā)動機排氣管垂直對稱面和水平對稱面為監(jiān)測面進行監(jiān)測分析；單臺發(fā)動機時，發(fā)動機排氣管中心點坐標為(-17 155，510，185)；雙發(fā)動機時，方發(fā)動機排氣管中心點坐標為(-17 145，510，-13 500)，發(fā)動機排氣管中心點坐標為(40 000，510，13 500)。

依據(jù)上述說明，建立研究典型模型見圖1。對流體域進行網(wǎng)格劃分，均為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為266.075萬，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.8～1.0，滿足計算要求，網(wǎng)格劃分見圖2。

圖1 單發(fā)動機開車時的坐標分布

2.2 數(shù)學模型

計算過程中氣體按理想氣體處理。

1)理想氣體狀態(tài)方程：

PV=nRT

(1)

式中：

P、V、T、n單位分別Pa、m3、K及mol

R為摩爾氣體常數(shù)，其值為8.314 51 kg/mol/K

2)傅里葉定律：

q=-λdt/dx

(2)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

λ-導熱系數(shù)，為物性，與過程無關(guān)，單位：W/(m·K)

dt/dx為沿x方向的溫度變化率

3)牛頓冷卻公式：

q=h(tw-tf)

(3)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

h-表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，與過程相關(guān)，單位：W/(m·K)

tw-固體表面溫度

tf-流體溫度

4)斯特潘-波爾茲曼定律：

q=σT4

(4)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

σ斯特潘-波爾茲曼常數(shù)，其為氣體常數(shù)處于阿伏加德羅常數(shù)

T-輻射物體的熱力學溫度，單位K

5)組分占比公式：

αi=Qi/ΣQi

(5)

3 研究結(jié)果

經(jīng)過分析研究，獲取典型截面流線譜見圖3，溫度隨時間的變化見圖4，溫度在不同截面上的變化見圖5，氧濃度隨時間的變化見圖6。從溫升速度看，15 min內(nèi)的發(fā)動機開車是不會造成周圍人員和設(shè)備損壞的；從氧濃度變化情況看，考慮該型發(fā)動機氧流量需求為0.18～1 kg/s，40 min后可能導致發(fā)動機不能穩(wěn)定工作。

圖6 氧濃度隨時間的變化

圖5 不同截面溫度分布

對于發(fā)動機工作時的噪音水平，在沒有消音設(shè)施的情況下，一般大于90 dB，在非通風的密閉區(qū)一般是不可忍受的。

圖3 典型截面流線譜 圖4 溫度隨發(fā)動機工作時間的變化

4 結(jié)語

研究結(jié)果表明：發(fā)動機尾流場的影響范圍為：在以發(fā)動機排氣管出口為中心往后長度為48 m的1 m直徑圓柱范圍；考慮到溫升速度和氧濃度降低的影響以及發(fā)動機開車時噪音的影響，在沒有消音設(shè)施且非通風條件下進行發(fā)動機開車是較危險的，時間不允許超過15 min；在進行過發(fā)動機開車后，最好將所有用于換氣的設(shè)施打開，以盡快對廢氣進行排除。