李 能

(中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550009)

0 引言

調(diào)節(jié)器殼體是航空燃油附件的重要部件,它起著向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室供油并調(diào)節(jié)所供給油量的作用。調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)腔的油路復(fù)雜,油路之間相互交叉、貫通,加工后若在油路內(nèi)存在清潔度隱患會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響,甚至可能會(huì)危害航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全。在交付裝配之前往往需進(jìn)行大流量的沖洗工作,若由于流體域內(nèi)部的構(gòu)造存在沖洗的盲區(qū),會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)器清潔度不能夠得到有效保證,則在工作時(shí)可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生不利的影響,造成安全隱患。

調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)部沖洗技術(shù)條件的制定一直是憑借經(jīng)驗(yàn)沿用傳統(tǒng)仿制工藝,該工藝是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取和確定進(jìn)口位置,給定一定的時(shí)間、溫度和壓力,用航空3號(hào)噴氣燃料對(duì)油路進(jìn)行沖洗,然后根據(jù)對(duì)油液的清潔度檢查是否滿足相應(yīng)的要求來(lái)判定沖洗是否合格。這種方法一是沖洗壓力等技術(shù)參數(shù)選擇依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定,對(duì)其合理性不能進(jìn)行評(píng)價(jià);二是油路沖洗時(shí),調(diào)節(jié)器殼體是放在一個(gè)密閉箱體內(nèi)進(jìn)行沖洗,沖洗過(guò)程不能直觀地觀察沖洗效果,調(diào)節(jié)器內(nèi)腔流體域流速分布的情況無(wú)法評(píng)價(jià)。為此有必要對(duì)調(diào)節(jié)器殼體沖洗工藝進(jìn)行仿真分析,通過(guò)對(duì)沖洗時(shí)調(diào)節(jié)器出口流速的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)沖洗效果,進(jìn)而摸清內(nèi)部流體流動(dòng)的情況,從而為設(shè)計(jì)以及工藝參數(shù)的選擇提供支撐,進(jìn)而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 仿真概述

本文的仿真是依托FLUENT為工具,遵循以下基本的仿真分析流程,首先是明確仿真的對(duì)象和內(nèi)容,其次是模型進(jìn)行前處理(前處理包含了繪制幾何模型、模型的網(wǎng)格生成、物理模型設(shè)定及求解器設(shè)定等),再次是求解計(jì)算,最后是后處理分析等。求解計(jì)算及后處理分析的流程示意圖如圖1所示。

在圖1所示的沖洗仿真分析示意圖中可知,后處理分析可以得到仿真分析的結(jié)果,主要是流線圖、壓力分布圖、速度分布柱狀圖等,這些圖形的功能和作用如下:

(1)壓力分布圖:可用于判斷出口是否有流體流出,如出口存在壓差則必定有流體流出。

(2)速度分布柱狀圖:可用于對(duì)比不同工況下,相同位置的結(jié)果變化趨勢(shì),便于判斷參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響程度。

(3)整體流線圖、壓力切片動(dòng)畫、流線動(dòng)畫:用于內(nèi)部流動(dòng)狀況、壓力分布狀況分析,可判斷流體域內(nèi)部的流動(dòng)死區(qū),通過(guò)對(duì)流動(dòng)死區(qū)的判定從而考慮沖洗進(jìn)口的位置布置和進(jìn)口的數(shù)量選擇。

2 流體域模型構(gòu)建

本文采用ANSYS SCDM軟件,利用其固有的流體域抽取方法,對(duì)調(diào)節(jié)器殼體所建立的三維模型進(jìn)行了流體域的抽取,得到流體域幾何模型,如圖2所示。從圖中可以看到,調(diào)節(jié)器殼體油路較多且復(fù)雜,這些油路對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作起到非常重要的作用。

圖2 流體域幾何模型

在抽出的流體域模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用ANSYS Meshing軟件對(duì)圖2所示的流體域幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格劃分得到的多個(gè)微小單元求解計(jì)算,得到整體的變化趨勢(shì),網(wǎng)格模型的示意圖如圖3所示。

本網(wǎng)格模型分別選用1100萬(wàn)、630萬(wàn)、350萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,出口流速的計(jì)算結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯霾煌瑪?shù)量的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎沒(méi)有影響,計(jì)算的結(jié)果差別不大,可忽略網(wǎng)格的大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,網(wǎng)格數(shù)量能夠滿足計(jì)算的需要。后續(xù)選用630萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。

備注:由左到右,三個(gè)連接柱體分別為350W、630W、1100W。

從三個(gè)方向(X、Y、Z方向)分別作一個(gè)截面切片(圖5),從截面切片的情況來(lái)看,網(wǎng)格充滿了整個(gè)內(nèi)部流道區(qū)域,這樣可進(jìn)一步認(rèn)為該網(wǎng)格數(shù)量合適。

圖5 網(wǎng)格截面切片觀察(X、Y、Z方向)

3 邊界條件設(shè)置

邊界條件的正確設(shè)置是仿真計(jì)算能夠得到正確結(jié)果的前提。經(jīng)過(guò)梳理,本模型共設(shè)置進(jìn)口2個(gè)、出口56個(gè)。調(diào)節(jié)器殼體沖洗時(shí)進(jìn)口壓力為1 MPa,各出口初始?jí)毫? MPa。采用3號(hào)航空煤油作為流動(dòng)介質(zhì),進(jìn)口壓力為0.5 MPa,考慮其密度與粘度物性參數(shù),3號(hào)航空煤油的具體物性參數(shù)如下:

1)密度:775～830 kg/m3,取780 kg/m3;

2)運(yùn)動(dòng)粘度:1.25 mm2/s,換算后的動(dòng)力粘度:0.000975 kg·s/m2。換算為動(dòng)力粘度是因?yàn)榉抡娣治鲇?jì)算時(shí)設(shè)置的參數(shù)為動(dòng)力粘度。

3.1 計(jì)算模型邊界條件

仿真分析計(jì)算模型選用SSTk-ω模型,因仿真計(jì)算過(guò)程中SSTk-ω模型中考慮到了低雷諾數(shù)、可壓縮性以及剪切流擴(kuò)散的影響,該模型適用于受到壁面限制的沖洗過(guò)程的仿真計(jì)算。

3.2 壓力速度耦合方法邊界條件

在沖洗仿真過(guò)程中,仿真計(jì)算的收斂性非常重要,仿真收斂,我們的計(jì)算結(jié)果才精確,若仿真計(jì)算發(fā)散,那么結(jié)果將不可靠。SIMPLEC算法適合于很多問(wèn)題,航空燃油附件調(diào)節(jié)器殼體的仿真求解也不例外。

3.3 空間離散化精度邊界條件

當(dāng)流體流動(dòng)方向與仿真計(jì)算的網(wǎng)格方向一致時(shí),可采用一階迎風(fēng)離散格式計(jì)算。然而當(dāng)流體流動(dòng)方向與仿真計(jì)算的網(wǎng)格方向不一致時(shí)(即當(dāng)流動(dòng)斜穿過(guò)網(wǎng)格線時(shí)),一階離散會(huì)增加數(shù)值離散誤差(出現(xiàn)數(shù)值擴(kuò)散)。此時(shí)使用二階離散可以獲得更好的結(jié)果。雖然一階離散格式通常比二階離散格式有更好的收斂性,但它常常會(huì)產(chǎn)生不太精確的結(jié)果。多數(shù)情況下,可以直接使用二階格式進(jìn)行計(jì)算。本文直接使用二階格式進(jìn)行計(jì)算。

4 仿真分析計(jì)算

按設(shè)定的邊界條件,使用FLUENT進(jìn)行流體域的仿真分析,給定既定的出口,出口是我們想要觀察的位置。因?yàn)槌隹谑欠裼辛魉?影響著我們對(duì)流體域流動(dòng)好壞的判定。仿真后得到如圖6所示的流體域流場(chǎng)的流線和壓力分布圖。從各個(gè)不同的角度去觀察流體域的內(nèi)部的流線(圖6(a)),從進(jìn)口沖洗介質(zhì)流入之后,由于流體域的內(nèi)部存在非常復(fù)雜的變徑,存在拐彎、交叉、分叉等結(jié)構(gòu),所以內(nèi)部流線也變得非常復(fù)雜。由于流道的這些變化,在流體域的內(nèi)部存在局部高速區(qū)域,高速區(qū)域說(shuō)明流體的動(dòng)能高,沖洗能力強(qiáng)。

圖6 流場(chǎng)的流線和壓力分布

沖洗的最終目的是要把雜質(zhì)順利地?cái)y帶出流體域,這個(gè)過(guò)程的影響因素非常多,跟流體域的結(jié)構(gòu)特征、流動(dòng)特征都有直接的關(guān)系。但是從通流的角度來(lái)講,速度越高,壓力越大,流量越大,肯定對(duì)流體域的沖洗攜帶能力越好。

觀察流體域內(nèi)表面的壓力(圖6(b)),管壁靜壓的產(chǎn)生來(lái)自于流體介質(zhì)的沖擊載荷,所以某處?kù)o壓值越高,說(shuō)明該處流體的沖擊力也越強(qiáng),針對(duì)該位置的沖洗能力強(qiáng)。

5 流場(chǎng)優(yōu)化仿真研究

觀察我們?cè)O(shè)定的出口的流速情況,從仿真計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn),出口2、3、9存在沖洗能力不足的問(wèn)題(相關(guān)位置示意圖參考圖7,用O2、O3、O9標(biāo)識(shí)出)。

圖7 出口2,3,9位置示意圖

為了改善上述三個(gè)位置的通流特性,結(jié)合工程實(shí)際沖洗的狀況,可以嘗試考慮采用以下3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化:1)增大沖洗進(jìn)口壓力;2)封堵流量較大的出口;3)尋找新的沖洗進(jìn)口。

5.1 增大沖洗進(jìn)口壓力

將沖洗入口的壓力增至原來(lái)壓力的10倍后進(jìn)行了仿真計(jì)算,結(jié)果如圖8所示。

圖8 壓力增至10倍的流量計(jì)算結(jié)果

從圖8可以看到,將沖洗介質(zhì)壓力增至10倍之后,出口2、3、9的流量仍然很低,說(shuō)明增加沖洗壓力對(duì)改善出口2、3、9的沖洗性能無(wú)益。為了進(jìn)一步評(píng)估流體域的沖洗特性,我們嘗試從流量分配的角度進(jìn)行調(diào)整。首先計(jì)算出該模型在所有出口的流量數(shù)據(jù),然后嘗試封堵流量最大的幾個(gè)出口,通過(guò)封堵相應(yīng)的出口來(lái)觀察出口2、3、9的沖洗特性是否有所改善。

5.2 封堵流量較大的出口

通過(guò)梳理,結(jié)合實(shí)際情況,我們分解出該流體域共計(jì)56個(gè)出口,在計(jì)算結(jié)束之后,分別采集各個(gè)出口的速度進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 其余出口的速度統(tǒng)計(jì)(m/s)

從計(jì)算結(jié)果可知:

1)出口6、7、8的流速都比較高(圖9中的outlet6、outlet7、outlet8),沖洗性能有保障,出口2、3、4、9則反之,流速較低(圖9中的outlet2、outlet3、outlet4、outlet9)。

2)出口32、36、45的速度比較高(圖9中的outlet32、outlet36、outlet45),說(shuō)明出口32、36、45分流了部分流體介質(zhì),出口32、36、45的位置見(jiàn)圖7。

對(duì)出口32、36、45進(jìn)行封堵,采用與封堵之前完全相同的計(jì)算輸入條件,結(jié)果如圖10所示。從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):封堵出口32、36、45之后,由于流體域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,各個(gè)出口位置的流速都發(fā)生了一定程度的改變,但是出口2、3、9的流率和速度仍然很低,說(shuō)明封堵原流量最大的32、36、45出口,對(duì)出口2、3、9的沖洗特性沒(méi)有改善。

圖10 出口局部封堵之后其余出口的速度統(tǒng)計(jì)(m/s)

5.3 尋找新的沖洗進(jìn)口

通過(guò)觀察流體域結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)出口9的對(duì)側(cè)有一個(gè)管口,設(shè)想如果將該管口設(shè)置為沖洗入口的話,可能會(huì)對(duì)出口9的沖洗特性有所改善。為此,新增入口Inlet4,就出口9的沖洗特性是否改善進(jìn)行計(jì)算,壓力條件不變,Inlet4相關(guān)位置示意圖參考圖11,用I4表示。

圖11 新增入口4位置示意圖

新增入口采用與之前完全相同的計(jì)算輸入條件,結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 新增入口的設(shè)置和計(jì)算流場(chǎng)

圖13 新增入口之后出口9的流速

從圖12發(fā)現(xiàn),沖洗介質(zhì)從inlet4注入后,outlet9能夠獲得明顯的速度和流量提升,沖洗特性改善非常明顯,流速最高已可達(dá)423.3 m/s,從流場(chǎng)圖及計(jì)算結(jié)果(圖13)也可以印證這一點(diǎn),從inlet4進(jìn)來(lái)的流體直接沖洗到outlet9,說(shuō)明這個(gè)措施對(duì)改善出口9的沖洗能力是有效的。

由于到目前為止,出口2、出口3的沖洗特性仍然不是很滿意,因此考慮將所有分支流體域的出口全部封堵,只保留出口2、3,相關(guān)邊界條件不變。相關(guān)計(jì)算結(jié)果狀態(tài)及結(jié)果分別如圖14、圖15。

圖14 只保留出口2,3之后的流場(chǎng)

圖15 只保留出口2,3之后的流速

從計(jì)算流場(chǎng)和數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):將其余出口封堵之后,沖洗介質(zhì)從inlet1進(jìn)入(圖14中用I1表示),出口2,3能夠獲得明顯的壓力和速度,沖洗特性有了明顯的改善,出口2的流速可達(dá)78 m/s,出口3的流速可達(dá)25 m/s。

從上述調(diào)節(jié)器流體域仿真計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):經(jīng)過(guò)仿真我們可以知道流體在腔內(nèi)的流速、壓力等技術(shù)參數(shù),若這些參數(shù)不滿足技術(shù)要求,我們可以通過(guò)改變進(jìn)口、封堵等手段來(lái)改善流體動(dòng)力特性,這為我們后續(xù)沖洗參數(shù)的選擇設(shè)置提供了有利的理論支撐。

6 總結(jié)

針對(duì)復(fù)雜流體域沖洗數(shù)值仿真計(jì)算,基于FLUENT系列仿真工具軟件,進(jìn)行了詳細(xì)的模型處理和計(jì)算仿真分析,得到了油路內(nèi)部各個(gè)流場(chǎng)等數(shù)據(jù),并基于沖洗性能進(jìn)行了改善對(duì)比?？偟膩?lái)看,采用本仿真方法對(duì)航空燃油附件殼體類在制造過(guò)程中有以下意義:

1)通過(guò)對(duì)油路流場(chǎng)的仿真分析,能夠清楚知道流道內(nèi)部流場(chǎng)的情況,在此基礎(chǔ)上能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有條件下是否存在不符合預(yù)期要求的流體域缺陷,能夠針對(duì)這些缺陷提供改善措施并驗(yàn)證,進(jìn)而進(jìn)行有效性的預(yù)評(píng)估,從而改善流體域。這就能為我們后續(xù)改善流體域的設(shè)計(jì)以及制定沖洗工藝參數(shù)提供有力支撐與指導(dǎo)。

2)采用仿真分析的手段可以直觀地顯示目前還不易觀測(cè)到的、說(shuō)不清楚的一些現(xiàn)象,容易理解和分析,還可以顯示試驗(yàn)都無(wú)法看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象,如復(fù)雜殼體內(nèi)部的流動(dòng)死區(qū)、渦流等現(xiàn)象,為提高航空附件產(chǎn)品研發(fā)的水平以及科學(xué)地指導(dǎo)沖洗試驗(yàn)等方面,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。