直升機(jī)動力艙氣動特性仿真及優(yōu)化

馮浩燕

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)自身防火、滅火性能是直升機(jī)生存能力的重要指標(biāo)之一。直升機(jī)發(fā)動機(jī)艙是防火、滅火的關(guān)鍵區(qū)域，發(fā)動機(jī)艙包含了發(fā)動機(jī)、大量管路、配線、附件和輔助裝置等，空氣通過不同位置的通風(fēng)口進(jìn)入動力艙后會產(chǎn)生非常紊亂的艙內(nèi)流場，加上其中的易燃液體、高溫環(huán)境和配線火源等條件，使得發(fā)動機(jī)艙成為火災(zāi)的易發(fā)區(qū)，所以對發(fā)動機(jī)動力艙滅火環(huán)境的研究是十分有意義的。

直升機(jī)適航取證中就包括動力艙防火、滅火性能驗(yàn)證，比如必須安裝火警探測設(shè)備和滅火系統(tǒng)等。適航條例明確要求，為了驗(yàn)證動力艙防火墻和滅火系統(tǒng)等設(shè)備的有效性，必須通過真實(shí)的或模擬的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，在飛行中的臨界氣流條件下，在每一指定火區(qū)內(nèi)噴射滅火劑能夠熄滅該區(qū)的著火，并能夠使滅火劑密度達(dá)到使火復(fù)燃的概率減至最小的密度標(biāo)準(zhǔn)。具體要求包括:首先要求動力艙內(nèi)的氣流流態(tài)足夠紊亂使得氣流能夠帶著滅火劑到達(dá)整個(gè)動力艙空間;其次動力艙氣流流速要達(dá)到一個(gè)合適的值，帶著滅火劑在要求的時(shí)間內(nèi)以足夠快的速度到達(dá)著火區(qū)域。

1 計(jì)算方法簡介及驗(yàn)證

為了簡化計(jì)算，一般直升機(jī)動力艙內(nèi)流計(jì)算只給出動力艙本身簡化后的邊界條件，比如只給出通風(fēng)口的入流速度和出口壓力邊界條件，孤立計(jì)算動力艙的流量。為了更準(zhǔn)確地模擬直升機(jī)動力艙出入口邊界的情況，本仿真計(jì)算方法考慮了機(jī)身外型和旋翼下洗流的影響。計(jì)算模型采用包括機(jī)身外型全機(jī)的建模方式。邊界條件設(shè)置和動力艙單獨(dú)內(nèi)流計(jì)算也有明顯的區(qū)別。

因?yàn)镋C175型機(jī)有某些狀態(tài)的動力艙流量試飛測試值，所以計(jì)算EC175型機(jī)的動力艙流量來驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確實(shí)用性。圖1中的動力艙通風(fēng)口hoel1和hole2作為內(nèi)流進(jìn)口，采用內(nèi)部面邊界條件(interior)，這樣就可以更真實(shí)地模擬飛行狀態(tài)通風(fēng)口的入流情況;圖1中發(fā)動機(jī)排氣口的邊界條件設(shè)為質(zhì)量入流(mass flow inlet)，這樣就可以自定義發(fā)動機(jī)的排氣流量;圖1中發(fā)動機(jī)排氣口和排氣口整流罩之間的空間即為動力艙流動出口，但在全機(jī)計(jì)算中應(yīng)設(shè)為內(nèi)部面邊界條件(interior)，通過這個(gè)面可以監(jiān)測動力艙的流量情況。全機(jī)外部邊界條件除了速度進(jìn)口(velocity－inlet)和自由出流(outflow)基本邊界外，計(jì)算域上下左右邊界條件采用對稱邊界(symmetry)，對稱邊界可以明顯降低計(jì)算工作量并加快計(jì)算進(jìn)度。

動力艙工作過程中的流量與直升機(jī)飛行狀態(tài)，環(huán)境空氣密度、溫度等有關(guān)。不同巡航狀態(tài)下，空氣密度越大，質(zhì)量流率越大。所以驗(yàn)證計(jì)算了EC175型機(jī)的動力艙在海平面，水平飛行速度為220km/h巡航狀態(tài)下，不同發(fā)動機(jī)排氣量狀態(tài)下的動力艙流量，計(jì)算結(jié)果見表1。當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣量為4.85kg/s時(shí)，動力艙流量計(jì)算結(jié)果為0.298kg/s;完全停車而發(fā)動機(jī)排氣量為0kg/s時(shí)，動力艙流量計(jì)算結(jié)果為0.1885kg/s。據(jù)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，EC175型機(jī)在速度220km/h巡航時(shí)的動力艙流量約為0.3kg/s，本次計(jì)算的動力艙最大流量為0.298kg/s，與法方提供的最大0.3kg/s流量相當(dāng)。所以采用這種全機(jī)建模仿真計(jì)算方法適合于直升機(jī)各飛行狀態(tài)下的動力艙流量計(jì)算。

表1 EC175型機(jī)動力艙流量計(jì)算結(jié)果

圖1 EC175動力艙開口方案及引射口幾何信息

2 直升機(jī)動力艙優(yōu)化及計(jì)算分析

2.1 直升機(jī)動力艙模型優(yōu)化

本次研究的直升機(jī)是一款三發(fā)的中型運(yùn)輸直升機(jī)，機(jī)身前部對稱布置兩個(gè)動力艙，后部左邊單獨(dú)布置一個(gè)動力艙(如圖2)。該直升機(jī)與EC175的動力系統(tǒng)相似，但是其優(yōu)化前的動力艙通風(fēng)口面積分別為EC175動力艙通風(fēng)口面積的7倍和10倍，并且通風(fēng)口裝有貓耳朵兜風(fēng)，所以動力艙通風(fēng)量較大。而EC175型機(jī)動力艙上只開了兩個(gè)直徑分別為80mm和90mm的通風(fēng)口，就能很好地滿足其動力艙的通風(fēng)滅火需求。借鑒EC175的成功經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算優(yōu)化了該型機(jī)動力艙通風(fēng)口，在不改變通風(fēng)口位置的前提下，把1號發(fā)動機(jī)的1號和2號動力艙通風(fēng)口縮小，封死4號通風(fēng)口，保留3號通風(fēng)口不變;把2號發(fā)動機(jī)5號和7號動力艙通風(fēng)口面積縮小，封死6號通風(fēng)口。優(yōu)化原則是每個(gè)動力艙有內(nèi)壁相對阻礙的兩部分都有通風(fēng)口，保留貓耳朵以便兜風(fēng)。優(yōu)化后的1發(fā)和2發(fā)動力艙的通風(fēng)面分別為0.0252m2和 0.014m2，略大于 EC175 型機(jī)的通風(fēng)口面積。圖3為優(yōu)化后的1號發(fā)動機(jī)和2號發(fā)動機(jī)的動力艙外型。

圖2 全機(jī)外型網(wǎng)格示意圖

為了計(jì)算驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性，模擬計(jì)算了該型機(jī)不同速度平飛狀態(tài)、爬升狀態(tài)和懸停狀態(tài)的動力艙流量。這是由于直升機(jī)動力艙滅火系統(tǒng)適航試驗(yàn)驗(yàn)證要求達(dá)到臨界氣流條件要求，而且動力艙驗(yàn)證試驗(yàn)一般只模擬懸停、平飛和爬升三類飛行狀態(tài)。這是因?yàn)閯恿ε摿髁颗c發(fā)動機(jī)排氣流量和飛行速度直接相關(guān)，而上面幾種狀態(tài)就涵蓋直升機(jī)的大速度和發(fā)動機(jī)大排氣量狀態(tài)。

全機(jī)計(jì)算網(wǎng)格采用如圖2所示的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了局部加密，并且對動力艙內(nèi)部管路和設(shè)備進(jìn)行了必要的簡化，這稍微增大了動力艙的容積。圖3為簡化后的的1發(fā)和2發(fā)動力艙內(nèi)部形狀。邊界條件設(shè)置和上文方法介紹的原理相同。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的κ－ε模型，因?yàn)閯恿ε摿髁坑?jì)算結(jié)果和湍流模型的選取差異性不大［4］。1號和2號發(fā)動機(jī)動力艙出口分別添加了監(jiān)測面，以便實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地判斷計(jì)算過程和結(jié)果的收斂性。

2.2 計(jì)算狀態(tài)和結(jié)果

1)平飛狀態(tài)

按照滅火程序要求，啟動滅火系統(tǒng)時(shí)直升機(jī)飛行速度會限制一個(gè)最大值，飛行速度超過這個(gè)最大值時(shí)，要求飛行員降低飛行速度，然后操作滅火系統(tǒng)滅火。但該型機(jī)還未確定這個(gè)速度，可通過后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果確定滅火限速。目前根據(jù)飛行譜常用平飛狀態(tài)，選擇計(jì)算速度分別為220km/h和150km/h平飛狀態(tài)下的動力艙流量。依據(jù)圖4中該型機(jī)海平面平飛行性能曲線功率范圍，計(jì)算出了不同的發(fā)動機(jī)扭矩下對應(yīng)的發(fā)動機(jī)排氣量。平飛動力艙排氣量計(jì)算結(jié)果見圖5所示。

2)爬升狀態(tài)

爬升狀態(tài)計(jì)算取主減限制功率下的130km/h爬升，發(fā)動機(jī)不同排氣量下對應(yīng)的動力艙流量計(jì)算結(jié)果見圖5所示。

3)懸停狀態(tài)

懸停狀態(tài)的旋翼下洗流簡化為20m/s垂直入流，發(fā)動機(jī)不同排氣量下對應(yīng)的動力艙流量計(jì)算結(jié)果見圖5所示。

2.3 結(jié)果分析

首先是對動力艙流量大小的研究分析。為了給出更接近實(shí)際飛行情況下的各飛行狀態(tài)的動力艙流量，通過圖4類似的性能數(shù)據(jù)計(jì)算了各飛行狀態(tài)下所需的發(fā)動機(jī)功率及其排氣量，從而插值給出各狀態(tài)的動力艙流量。表2給出了各飛行狀態(tài)動力艙流量的插值結(jié)果。根據(jù)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是典型工作狀態(tài)動力艙流量不要超過0.42kg/s，計(jì)算結(jié)果全部滿足該滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖3 簡化后的1號和2號發(fā)動力艙外型

圖4 直升機(jī)平飛性能及發(fā)動機(jī)性能

圖5 各狀態(tài)動力艙流量計(jì)算結(jié)果

表2 動力艙流量插值結(jié)果

另一方面是研究動力艙流場分布情況，這直接關(guān)系到氣流是否能夠全面快速地把滅火劑帶到火區(qū)。由計(jì)算得到的動力艙流場分布情況可以看出，當(dāng)氣流以較大的速度從通風(fēng)口進(jìn)入動力艙后，受到艙內(nèi)附件和發(fā)動機(jī)等物面的阻塞作用，然后氣流沿著這些物面分散成速度較低的紊流，如圖6和圖7所示。除了入口處流速較大外，動力艙其它區(qū)域的流速相對較小，可以按照監(jiān)控面的流量折算出的平均速度來衡量。各狀態(tài)折算后的動力艙內(nèi)的流速在5m/s～15m/s之間，該速度能夠滿足滅火系統(tǒng)工作時(shí)對流場的要求。

觀察圖8動力艙出口監(jiān)控面的流場分布和圖5不同發(fā)動機(jī)排氣量對應(yīng)的動力艙流量可以說明動力艙流量與發(fā)動機(jī)排氣量的密切相關(guān)性，動力艙流量隨排氣量的增大而增大。

圖6 動力艙流場分布

圖7 動力艙流場分布

圖8 1號發(fā)動機(jī)動力艙監(jiān)控面位置及流速云圖

3 結(jié)論

本文在全機(jī)建模的基礎(chǔ)上仿真計(jì)算了直升機(jī)滅火系統(tǒng)典型平飛、懸停和爬升狀態(tài)的動力艙(優(yōu)化后的狀態(tài))流量。計(jì)算結(jié)果可作為動力艙滅火系統(tǒng)試驗(yàn)的輸入條件。分析計(jì)算結(jié)果表明:

1)通過EC175動力艙的流量計(jì)算結(jié)果和動力艙流量試驗(yàn)測試值比較，驗(yàn)證了該計(jì)算方法用于直升機(jī)動力艙流量評估的可行性。

2)某型機(jī)多種飛行狀態(tài)的動力艙流量計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后的動力艙方案能夠滿足滅火系統(tǒng)的工作要求，但和EC175相比，滅火環(huán)境還是有些差距，一方面原因是直升機(jī)全機(jī)構(gòu)型限制，另一方面是為了滿足動力艙中各部件的空冷要求。所以此優(yōu)化方案對動力艙入口面積減少有所保留，該型機(jī)動力艙還有改進(jìn)空間。

3)動力艙的流量隨飛行速度和發(fā)動機(jī)排氣流量的增加而增大。發(fā)動機(jī)排氣對動力艙出口流速加速引射效果明顯。

4)動力艙優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過改變通風(fēng)口位置和大小，然后用本全機(jī)建模的方法仿真計(jì)算評估艙內(nèi)流量，通過反復(fù)迭代找到適合設(shè)計(jì)要求的方案。

［1］Nacelle Ventilation air requirement［R］.SAE.ARP.996A.1984.

［2］CCAR－29－R1，中國民用航空規(guī)章，第29部:運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定［S］.

［3］袁建新，等.基于旋翼下洗流流場的直升機(jī)動力艙通風(fēng)冷卻系統(tǒng)仿真［J］.直升機(jī)技術(shù)，2009.

［4］直升機(jī)適航參考資料［Z］.航空航天工業(yè)部直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，1991.

［5］王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.