■ 黃紹奇 邱樹彬 涂泉 梁小龍 張偉 鄭萍萍 申波/中國(guó)航發(fā)黎陽動(dòng)力

燃油總管的性能調(diào)試一直是依靠操作者憑經(jīng)驗(yàn)手工研磨零件，再通過不斷試錯(cuò)直至性能試驗(yàn)合格，勞動(dòng)強(qiáng)度大、調(diào)試效率低。應(yīng)用燃油總管的性能仿真和智能選配技術(shù)，可有效提高燃油總管的調(diào)試效率。

燃油總管采用整體焊接式結(jié)構(gòu)，無獨(dú)立的噴嘴單元體，在環(huán)形總管上通過裝配焊接形成雙油路離心噴嘴，如圖1所示。在進(jìn)行燃油總管調(diào)試時(shí)，操作者不僅需要保證噴嘴的自身流量和不同噴嘴間的流量差，同時(shí)需要保證各個(gè)噴嘴的分布不均勻度、噴霧錐角和霧化質(zhì)量等符合要求。噴嘴在燃油總管上屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，性能試驗(yàn)時(shí)不同噴嘴之間的性能相互制約和影響，調(diào)整某個(gè)噴嘴性能，其他噴嘴性能也發(fā)生變化，調(diào)試難度大，生產(chǎn)效率低，僅憑經(jīng)驗(yàn)手工研磨和反復(fù)試錯(cuò)裝配無法滿足生產(chǎn)需求，亟須開展項(xiàng)目研究提高燃油總管調(diào)試效率。針對(duì)上述問題，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過仿真和智能選配技術(shù)，有效地提高了燃油總管的調(diào)試效率。

圖1 燃油總管示意

燃油總管調(diào)試技術(shù)難點(diǎn)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油總管調(diào)試的難點(diǎn)主要在于單個(gè)噴嘴的調(diào)試，以及多個(gè)噴嘴的整體調(diào)試。

單個(gè)噴嘴的調(diào)試

單個(gè)噴嘴調(diào)試是將組成噴嘴的帶氣罩的噴口、噴口-旋流器和旋流器3個(gè)零件裝配在工藝殼體上，構(gòu)成工藝噴嘴，如圖2所示，由操作者手工研磨噴嘴零件調(diào)整性能。燃油總管上的噴嘴性能受帶氣罩的噴口、噴口-旋流器、旋流器3個(gè)零件共同控制。由于設(shè)計(jì)給定的這3個(gè)零件都是組別件，裝配后構(gòu)型多，不同的構(gòu)型對(duì)應(yīng)的性能不同，而設(shè)計(jì)未明確不同構(gòu)型下的性能，即使構(gòu)型相同，不同尺寸公差下的性能差異也較大。

圖2 單個(gè)噴嘴及組成

為得到較好的噴嘴構(gòu)型，工藝上通常以固定參數(shù)加工一批帶氣罩的噴口和旋流器，再使用不同的參數(shù)加工噴口-旋流器，通過匹配性試驗(yàn)驗(yàn)證得到噴口-旋流器的加工參數(shù)。由于性能與尺寸的映射關(guān)系未掌握，匹配性試驗(yàn)得到的加工參數(shù)非最優(yōu)噴口-旋流器尺寸，研磨余量大，單個(gè)調(diào)試效率低。

燃油總管調(diào)試

單個(gè)噴嘴調(diào)試完成后，裝配到總管上形成燃油總管。由于裝配噴嘴的總管是由帶襯套的噴嘴殼體與不同的導(dǎo)管組成環(huán)圈后，用真空釬焊而成，受流道結(jié)構(gòu)和節(jié)流影響，不同位置的噴嘴殼體流阻不一樣，導(dǎo)致噴嘴裝配到總管后各個(gè)噴嘴間分布經(jīng)常超差。

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室溫度場(chǎng)的均勻性，防止局部過熱或過燒，操作者通過返調(diào)單個(gè)噴嘴的性能或更換噴嘴的裝配位置使噴嘴間分布滿足要求。由于對(duì)返調(diào)噴嘴的性能大小未知和更換噴嘴位置后對(duì)噴嘴間分布的影響未掌握，燃油總管調(diào)試效率低，調(diào)試周期長(zhǎng)。

項(xiàng)目總體思路

通過將燃油噴嘴結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)化處理，并采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)燃油噴嘴的三維流動(dòng)特性進(jìn)行分析，研究關(guān)鍵典型結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)燃油噴嘴性能（流量、分布不均勻度和噴霧錐角等）的影響規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)滿足燃油噴嘴性能的加工尺寸參數(shù)，得到噴嘴尺寸與性能的映射關(guān)系，獲得最優(yōu)的噴口-旋流器加工尺寸，噴嘴微調(diào)后即可實(shí)現(xiàn)性能合格，提高單個(gè)噴嘴的調(diào)試效率。

通過CFD技術(shù)分析燃油總管中的三維流動(dòng)特性，總結(jié)燃油總管的流動(dòng)分配規(guī)律。研究燃油噴嘴同燃油總管的性能匹配特性，開發(fā)適用于流量分配優(yōu)化的快速計(jì)算方法，利用軟件模擬計(jì)算獲得燃油噴嘴的最佳布局。

提升單個(gè)噴嘴調(diào)試效率

燃油噴嘴參數(shù)化建模

傳統(tǒng)的燃油噴嘴建模方式過程復(fù)雜、效率低，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝配體而言，要抽取出燃油噴嘴的計(jì)算流域，則對(duì)技術(shù)要求更高。

基于以上問題，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)利用建模軟件二次開發(fā)技術(shù)，通過外部調(diào)用的模式應(yīng)用相關(guān)二次開發(fā)函數(shù)，直接生成抽取流域后的模型。為了方便用戶更為直觀地實(shí)現(xiàn)操作，利用JAVA語言開發(fā)出該燃油噴嘴的二維圖樣，用戶可根據(jù)尺寸名稱在界面輸入，亦可雙擊二維圖上尺寸直接修改尺寸，進(jìn)而更新生成三維模型。

邊界條件與網(wǎng)格自動(dòng)劃分

對(duì)生成好的燃油噴嘴計(jì)算流體域模型軟件顯示其面域，方便用戶定義其邊界條件。其中，相同邊界類型的面可進(jìn)行面合并與分離，用戶可根據(jù)燃油噴嘴仿真的實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)出口以及壁面邊界條件設(shè)置，最終輸出包含用戶定義的面名稱以及每個(gè)面的特征尺寸的面網(wǎng)格文件。

利用生成的面網(wǎng)格文件，后臺(tái)調(diào)用網(wǎng)格劃分工具軟件修改對(duì)應(yīng)的腳本文件，即可實(shí)現(xiàn)燃油噴嘴網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，生成高質(zhì)量的燃油噴嘴體網(wǎng)格（通常其網(wǎng)格扭曲率可保證在0.5以下），如圖3所示。網(wǎng)格自動(dòng)劃分腳本中，根據(jù)每個(gè)面的特征尺寸生成其尺寸函數(shù)，同時(shí)還包括邊界層網(wǎng)格生成、噴口區(qū)域網(wǎng)格加密和網(wǎng)格質(zhì)量等相關(guān)內(nèi)容。

圖3 燃油噴嘴網(wǎng)格劃分效果示意

燃油噴嘴數(shù)值仿真

燃油噴嘴的數(shù)值仿真過程通過程序后臺(tái)調(diào)用流體軟件中的固定兩相流仿真腳本來實(shí)現(xiàn)。用戶可通過邊界條件參數(shù)、燃油物性參數(shù)和求解設(shè)置參數(shù)來實(shí)現(xiàn)與流體軟件仿真腳本的交互。流體軟件仿真腳本在點(diǎn)擊“求解計(jì)算”時(shí)更新，并讀取燃油噴嘴三維網(wǎng)格，設(shè)置相關(guān)數(shù)值模型等進(jìn)行仿真計(jì)算。軟件后臺(tái)獲取仿真的殘差數(shù)據(jù)及監(jiān)控變量數(shù)據(jù)，在軟件界面上顯示。

仿真結(jié)果提取

采用C++實(shí)現(xiàn)的算法功能首先解析流體軟件仿真結(jié)果文件，對(duì)噴口以后位置的液滴信息進(jìn)行提取，采用大于燃油與空氣體積分?jǐn)?shù)50%提取燃油位置，并通過相關(guān)算法篩選，最終求得燃油噴霧錐角；通過解析相關(guān)結(jié)果在燃油噴嘴噴口位置截面上對(duì)質(zhì)量積分，則得到燃油瞬時(shí)流量值；對(duì)燃油噴嘴計(jì)算域出口處截面按角度分割為18份，對(duì)每一份截面上的燃油量進(jìn)行按時(shí)間積分，并求得其最大值、最小值、平均值，再按照不均勻度公式可求得燃油不均勻度。對(duì)于計(jì)算結(jié)果，可在計(jì)算完成后在軟件界面查看，保存到數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)預(yù)置報(bào)告模板生成燃油噴嘴仿真分析報(bào)告。

數(shù)據(jù)校準(zhǔn)及驗(yàn)證

燃油噴嘴流場(chǎng)內(nèi)部壓力變化劇烈、流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃油在高壓力梯度作用下在復(fù)雜流道中流動(dòng)狀態(tài)多變，尤其在噴口附近，燃油由連續(xù)相撕裂并破碎成不同粒徑的燃油顆粒，這其中涉及到的物理模型包括湍流模型、流體體積法（VOF）多相流模型和離散相（DPM）多相流模型。計(jì)算燃油在燃油噴嘴及燃油總管中的流動(dòng)及霧化過程，其中如何得到收斂及高精度的分析結(jié)果是難點(diǎn)問題。燃油噴嘴性能仿真軟件封裝了針對(duì)燃油噴嘴仿真的數(shù)值方法模型及數(shù)值求解方法，并經(jīng)過與大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，不斷優(yōu)化數(shù)值模型和求解方法，使得該系統(tǒng)平臺(tái)仿真結(jié)果具有很好的可靠性，相對(duì)誤差保證在5.0%以內(nèi)。

提升燃油總管整體調(diào)試效率

燃油總管優(yōu)化計(jì)算涉及部件眾多，使用三維CFD方法在前處理和求解方面耗費(fèi)較多時(shí)間，無法獲取最佳的噴嘴排布方案，也無法指定各個(gè)位置的噴嘴流量求解噴嘴的工裝特性。流體網(wǎng)絡(luò)方法具有求解速度快、支持反問題求解的優(yōu)點(diǎn)，因而可應(yīng)用于燃油總管計(jì)算中，將總管、噴嘴測(cè)試工裝等抽象為一維流體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，求解各個(gè)部件的流量和壓力分布。

燃油噴嘴加工完畢之后，先在噴嘴測(cè)試工裝上測(cè)試固定壓力下的單個(gè)噴嘴流量特性。根據(jù)工裝幾何參數(shù)創(chuàng)建流體系統(tǒng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)進(jìn)出口壓力和噴嘴流量采用反問題求解方法得到噴嘴的阻力系數(shù)。

總管進(jìn)行真空釬焊時(shí)，釬料用量會(huì)對(duì)總管造成程度不一的節(jié)流。仿真設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了不同總管節(jié)流的影響，通過總管上不安裝噴嘴，試驗(yàn)測(cè)得進(jìn)口壓力為1MPa條件下供油環(huán)上所有噴嘴的流量分布，反求主油路油濾流通系數(shù)。綜合單個(gè)噴嘴和總管的阻力系數(shù)，通過軟件模擬計(jì)算得到各個(gè)噴嘴裝配總管后的流量分布，推薦獲得噴嘴的最佳布局。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，軟件模擬裝配只能不斷更換裝配位置獲得性能結(jié)果，若全部噴嘴調(diào)整后也無法滿足燃油總管上噴嘴的分布要求，則運(yùn)用流體仿真指導(dǎo)裝配將失去意義。針對(duì)該問題，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在軟件上增加校準(zhǔn)計(jì)算，即給定滿足要求的部分噴嘴目標(biāo)流量，通過仿真得到單個(gè)噴嘴調(diào)試的需要流量，從而實(shí)現(xiàn)不調(diào)整單個(gè)噴嘴流量，只調(diào)整噴嘴位置解決燃油總管裝配問題。

創(chuàng)新項(xiàng)目成效

在燃油總管單個(gè)噴嘴調(diào)試時(shí)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)改變了靠加工大量噴口-旋流器進(jìn)行匹配的傳統(tǒng)噴嘴調(diào)試方法，通過性能仿真得到尺寸與性能的映射關(guān)系，獲得最優(yōu)的噴口-旋流器加工尺寸，噴嘴微調(diào)后即可實(shí)現(xiàn)性能合格，提高了單個(gè)噴嘴的調(diào)試效率。

在燃油總管性能調(diào)試時(shí)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)利用數(shù)字化技術(shù)智能選配噴嘴代替人工經(jīng)驗(yàn)布局，實(shí)現(xiàn)了燃油總管噴嘴裝配一次成功以及燃油總管調(diào)試噴嘴只換不調(diào)，提高了燃油總管的調(diào)試效率，為燃油總管快速上量生產(chǎn)提供了可能。

自主開發(fā)設(shè)計(jì)針對(duì)性的流體仿真軟件，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，不斷改進(jìn)噴嘴仿真的數(shù)值方法模型及數(shù)值求解方法，使仿真數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。

結(jié)束語

創(chuàng)新項(xiàng)目研發(fā)的燃油總管性能仿真軟件將前沿技術(shù)成功應(yīng)用于燃油總管的工程實(shí)踐，從而形成了一套自主可控的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具體系。燃油總管性能仿真軟件的運(yùn)用，解決了燃油總管調(diào)試勞動(dòng)量大、調(diào)試效率低的問題，實(shí)現(xiàn)了性能調(diào)試的量化和智能化，并為燃油總管數(shù)字化制造奠定了基礎(chǔ)。