陳振中，賈 瑞，王璐璐，胡靖宇

(1.沈陽航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，沈陽 110136；2.中國(guó)南方航空股份有限公司 沈陽維修基地，沈陽 110000)

0 引言

輔助動(dòng)力裝置(APU)是飛機(jī)上的一套獨(dú)立的小型輔助動(dòng)力系統(tǒng)[1]。近年來，隨著軍民用飛機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)APU的可靠性等具有更高要求[2]。目前，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研究大多是數(shù)值分析結(jié)合實(shí)際試車或維修數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證來進(jìn)行[3-6]。常博博等人[7]采用部件法建立了某型APU數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值仿真；羅紹文等人[8]利用CFD技術(shù)對(duì)單級(jí)微型渦輪的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究；林志勇等人[9]計(jì)算了環(huán)形回流燃燒室三維兩相噴霧燃燒流場(chǎng)，研究不同進(jìn)口溫度和油氣比對(duì)兩相噴霧燃燒流場(chǎng)的影響；崔博等人[10]使用CFD軟件建立了環(huán)形燃燒室的氣液兩相燃燒計(jì)算模型；陳振中等人[11]通過使用Fluent軟件，分析了APU排氣腔體內(nèi)部氣體溫度、流速和氣動(dòng)壓力分布情況；孫科等人[12]采用湍流S-A模型對(duì)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)流場(chǎng)仿真計(jì)算并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，二者吻合度良好；張志秋等人[13]成功運(yùn)用數(shù)值仿真分析方法對(duì)低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段進(jìn)行了耦合分析。

本文結(jié)合某民航維修基地實(shí)際維修案例，進(jìn)行某型APU故障損傷分析。實(shí)際工況中導(dǎo)致構(gòu)件疲勞損傷的因素較多，熱端部件常常是因?yàn)樘幱诟邷毓ぷ鳝h(huán)境下，強(qiáng)度下降而發(fā)生疲勞破壞，故本文主要探究熱應(yīng)力對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的損傷影響。

1 建模及網(wǎng)格劃分

1.1 構(gòu)建模型

本文通過UG軟件對(duì)燃燒室構(gòu)件進(jìn)行等比例三維模型構(gòu)建，建模過程中結(jié)合燃燒室實(shí)際工作環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，燃燒室三維實(shí)體模型如圖1所示。

村里的自來水受天氣因素的影響，水質(zhì)不好，水對(duì)于傣族人民有著特殊的意義，人們對(duì)水量和水質(zhì)的要求比較高，村民們?yōu)榱吮Ｕ献约河盟姆奖闩c健康，很多人家都安裝了凈水機(jī)。

圖1 燃燒室三維實(shí)體模型

通過DM模塊在構(gòu)件三維模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建密閉平面，使用“FILL”指令在其內(nèi)部完成流場(chǎng)的填充，流場(chǎng)如圖2所示。

圖2 流場(chǎng)

1.2 網(wǎng)格劃分

能量方程表示流體中能量的增加率和外力對(duì)流體所作的功之和相等：

圖3 網(wǎng)格劃分模型

動(dòng)量守恒定律是指某一流體微元體隨時(shí)間的變化率和該流體微元體上所受總外力相等：

圖4 網(wǎng)格正交質(zhì)量圖

2 基本物理方程

本文所研究的某型APU燃燒室的熱應(yīng)力問題，根據(jù)其正常工作狀態(tài)下的相關(guān)氣體速度、壓強(qiáng)以及溫度等參數(shù)數(shù)值，設(shè)置燃燒室流體域的邊界條件[14-18]。燃料入口設(shè)為質(zhì)量速度進(jìn)口，速度為0.08 kg/s，溫度460 K；空氣進(jìn)口邊界設(shè)定為速度進(jìn)口，速度為50 m/s，溫度為600 K；出口選用壓力出口，壓強(qiáng)為0.33 MPa；將進(jìn)氣口湍流強(qiáng)度設(shè)為 10%，湍流粘度比為 20；為兼顧計(jì)算精度和計(jì)算能力，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；選用P1傳熱模型模擬燃燒室內(nèi)部輻射傳熱；選用PDF非預(yù)混燃燒模擬湍流擴(kuò)散燃燒；采用SIMPLE算法以及二階迎風(fēng)格式求解。

2.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律是指某一時(shí)間內(nèi)流入微元體的流體質(zhì)量與構(gòu)件內(nèi)部增加的流體質(zhì)量是相同的：

其中：v是流體速度矢量；ρ是流體密度。

2.2 動(dòng)量守恒方程

考慮到計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分后采用正交品質(zhì)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。網(wǎng)格正交質(zhì)量圖如圖4所示，網(wǎng)格正交品質(zhì)集中分布在1附近，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以用于計(jì)算。

這種象征的易象與“道”相聯(lián)系，也具有形上性的特征。劉若愚在《中國(guó)文學(xué)理論》中認(rèn)為:“在‘形上’的標(biāo)題下，可以包括以文學(xué)為宇宙原理之顯現(xiàn)這種概念為基礎(chǔ)的各種理論”，“在形上理論中，宇宙原理通常稱為‘道'”[12](P20)。宇宙原理僅是“道”的涵義的一部分，《周易》一書多次提到了形而上的“道”，《易傳·系辭》曰：

2.3 能量守恒方程

通過“MESH”指令進(jìn)行燃燒室構(gòu)件內(nèi)部的流體區(qū)域網(wǎng)格劃分，同時(shí)進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格單元數(shù)為3309544，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

打造農(nóng)產(chǎn)品物流平臺(tái)。在天津食品集團(tuán)的大力扶持下，搭建實(shí)體貿(mào)易鏈和網(wǎng)上貿(mào)易平臺(tái)。建設(shè)總庫(kù)容為4萬噸的平房倉(cāng)庫(kù)，發(fā)展大宗農(nóng)產(chǎn)品物流。將集團(tuán)和國(guó)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品打入保加利亞及歐洲國(guó)家，將保加利亞及歐洲特色農(nóng)產(chǎn)品引入中國(guó)，依托京津冀協(xié)同發(fā)展的廣闊市場(chǎng)，積極發(fā)展中保雙邊貿(mào)易。

其中:p為壓力；ζxx、ζyx、ζzx是氣體粘性應(yīng)力分量；αx、αy、αz是流體加速度在x、y和z方向上的分量。

3 結(jié)果與討論

3.1 邊界條件設(shè)置

針對(duì)APU燃燒室的實(shí)際工況，流場(chǎng)仿真計(jì)算主要服從以下三個(gè)基本守恒方程，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程。

綜上所述，螺內(nèi)酯對(duì)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞具有誘導(dǎo)凋亡的作用，其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)Bcl-2和Bax表達(dá)平衡有關(guān)。由于螺內(nèi)酯體外誘導(dǎo)SK-N-SH細(xì)胞凋亡的劑量比較低，提示該藥有一定的抑瘤作用，對(duì)于尋求神經(jīng)母細(xì)胞瘤更好的生物和化學(xué)療法具有潛在的價(jià)值。

3.2 仿真計(jì)算

將流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)置燃燒室外部環(huán)境溫度為300 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)為20.27 W/(·°C)，得到燃燒室表面溫度分布云圖如圖5所示。結(jié)果顯示，內(nèi)環(huán)冷卻孔孔緣位置溫度最高，高達(dá)1187.87 ℃，高溫易使該位置強(qiáng)度下降，同時(shí)由于是內(nèi)環(huán)冷卻孔也容易因溫度梯度過大產(chǎn)生疲勞損傷。

國(guó)內(nèi)PBL教學(xué)模式在健康管理學(xué)教學(xué)的應(yīng)用受到一定限制：首先，在我國(guó)，健康管理作為新興學(xué)科，剛剛起步，專業(yè)人員及師資不足，雖有示范基地，但相對(duì)交流機(jī)會(huì)較少。在我國(guó)醫(yī)學(xué)院校，很難要求學(xué)生花大量時(shí)間查閱大量資料，PBL教學(xué)模式在實(shí)際教學(xué)中很難進(jìn)行應(yīng)用推廣。其次，我國(guó)醫(yī)學(xué)院一直采取傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生的自學(xué)能力不是很強(qiáng)，倘若最基本的健康管理知識(shí)、基礎(chǔ)理論掌握不夠扎實(shí)，再加上對(duì)各學(xué)科相互聯(lián)系的理論知識(shí)不融會(huì)貫通，只強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決問題的能力，那就容易造成健康狀態(tài)評(píng)估的片面化，影響全局觀。所以，單純采用PBL的教學(xué)方式，難以收到好的效果。

圖5 燃燒室溫度分布云圖

通過構(gòu)建“流-固”耦合模型，將穩(wěn)態(tài)熱分析模塊得到的溫度分布云圖導(dǎo)入到靜力分析模塊中，進(jìn)一步計(jì)算燃燒室的熱應(yīng)力和位移場(chǎng)分布云圖。由于在穩(wěn)態(tài)熱分析模塊中已經(jīng)知道內(nèi)環(huán)冷卻孔位置是受熱載嚴(yán)重區(qū)域，故而應(yīng)力計(jì)算以及位移場(chǎng)計(jì)算主要根據(jù)內(nèi)環(huán)部分進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)環(huán)部分熱應(yīng)力分布云圖如圖6所示，內(nèi)環(huán)部分位移場(chǎng)云圖如圖7所示。從圖中可以看出，溫度高的位置多承受壓應(yīng)力，溫度低的位置承受著拉應(yīng)力，這是由于燃燒室上每個(gè)單元溫度不同而且相互約束不能自由熱膨脹導(dǎo)致的，從而形成熱應(yīng)力，而在熱應(yīng)力下發(fā)生位移，最終產(chǎn)生損傷裂紋。

圖6 內(nèi)環(huán)部分熱應(yīng)力分布云圖

圖7 內(nèi)環(huán)部分位移場(chǎng)云圖

3.3 結(jié)果對(duì)比

通過仿真計(jì)算APU燃燒室穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果表明，燃燒室內(nèi)環(huán)冷卻孔孔口邊緣部位溫度較高，通過位移場(chǎng)可以看出內(nèi)壁的孔邊有較為明顯的變形。送修構(gòu)件主要破損位置如圖8所示。通過對(duì)比分析結(jié)果和實(shí)際燃燒室破壞時(shí)產(chǎn)生的裂紋位置基本一致。

圖8 送修構(gòu)件主要破損位置

4 結(jié)論

本文主要利用數(shù)值分析方法，通過有限元計(jì)算軟件 ANSYS對(duì)某型APU燃燒室三維模型正常工作狀態(tài)下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的耦合進(jìn)行了模擬分析。通過對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)際送修構(gòu)件損傷情況，發(fā)現(xiàn)燃燒室內(nèi)環(huán)冷卻孔位置在正常工作狀態(tài)下由于過高溫度梯度而導(dǎo)致高應(yīng)力狀態(tài)?？拙墭O易過早萌生裂紋，縮短其使用壽命，造成性能下降乃至產(chǎn)生安全隱患。另外由于燃燒室結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，同時(shí)周身遍布各種開孔結(jié)構(gòu)，極易出現(xiàn)較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致極高的熱應(yīng)力，因此建議在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，盡量緩慢、平穩(wěn)啟動(dòng)以延長(zhǎng)燃燒室使用壽命。該仿真計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際工作情況，在今后的維修工作中應(yīng)該著重加強(qiáng)對(duì)易損傷部位的維護(hù)。