基于多孔介質(zhì)模型的某型直升機(jī)防護(hù)網(wǎng)流場(chǎng)仿真

唐進(jìn)城　謝永奇　劉思遠(yuǎn)　余建祖　王先煒

摘 ? 要：針對(duì)某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)凸型防護(hù)網(wǎng)的流場(chǎng)，直接進(jìn)行數(shù)值模擬非常復(fù)雜。因此，本文提出了一種基于多孔介質(zhì)模型，分區(qū)獲取防護(hù)網(wǎng)多孔介質(zhì)參數(shù)，然后整合計(jì)算整體流場(chǎng)的仿真方法。并計(jì)算了氣流速度分別為77.78m/s、41.67m/s和11m/s時(shí)防護(hù)網(wǎng)的流場(chǎng)及防護(hù)網(wǎng)前后的總壓壓力損失，與相應(yīng)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，三種飛行速度下仿真結(jié)果相對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分別為8.94%、7.12%和-8.72%，證明了本文仿真方法的正確性。

關(guān)鍵詞：防護(hù)網(wǎng) ?分區(qū)簡(jiǎn)化 ?多孔介質(zhì)模型 ?流場(chǎng)仿真

中圖分類號(hào)：V244.15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（b）-0026-03

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣道處安裝防護(hù)網(wǎng)，可以有效的防止異物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，仿真模擬可以幫助研究防護(hù)網(wǎng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場(chǎng)的影響。多孔介質(zhì)模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了工農(nóng)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，在FLUENT軟件中已經(jīng)開發(fā)了多孔介質(zhì)計(jì)算相關(guān)的模塊[1]。浙江大學(xué)的錢錦遠(yuǎn)[2]分析了單級(jí)和多級(jí)孔板的阻力和氣動(dòng)特性，建立了單/多級(jí)孔板的數(shù)值模型，并對(duì)其單相流動(dòng)和兩相流動(dòng)進(jìn)行了分析。李建隆等人[3]使用FLUENT，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-e模型分析了防風(fēng)抑塵網(wǎng)開孔形式對(duì)流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明圓形孔的形式最佳。許棟等人[4]對(duì)防護(hù)網(wǎng)揚(yáng)塵庇護(hù)區(qū)湍流流場(chǎng)的數(shù)值邊界條件進(jìn)行了研究，研究表明計(jì)算域的入流湍動(dòng)強(qiáng)度和數(shù)值風(fēng)洞的地面粗糙度對(duì)模擬結(jié)果均有較大的影響。Zhao等人[5-6]對(duì)使用多孔介質(zhì)對(duì)漁網(wǎng)和重力籠周圍的水流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，提出了相應(yīng)的仿真方法。

在多孔介質(zhì)模型應(yīng)用于孔/板類結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真方面，前人進(jìn)行了大量的研究，并取得了很多有價(jià)值的成果，但主要局限于規(guī)則的網(wǎng)、板類結(jié)構(gòu)，目前還未見到關(guān)于不規(guī)則凸型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流動(dòng)特性的研究報(bào)道。本文針對(duì)某直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的凸型防護(hù)網(wǎng)，提出了一種基于多孔介質(zhì)模型，對(duì)凸型防護(hù)網(wǎng)分區(qū)，獲取個(gè)各分區(qū)多孔介質(zhì)參數(shù)，然后模擬發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)網(wǎng)整體流場(chǎng)的方法。計(jì)算了不同氣流速度下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的流場(chǎng)和總壓壓降，并且與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。本文的方法可以為類似的不規(guī)則網(wǎng)狀類結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)模擬提供一定的參作用。

1 ?防護(hù)網(wǎng)化簡(jiǎn)及仿真設(shè)置

該研究主要對(duì)象為某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該模型采用CATIA軟件建立，防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中防護(hù)網(wǎng)絲的直徑為0.8mm，單個(gè)網(wǎng)眼的尺寸為4.75mm×4.75mm，模型中未建立防護(hù)網(wǎng)的真實(shí)結(jié)構(gòu)，采用無(wú)厚度面替代。

在建模中，對(duì)某些非關(guān)鍵部位作了合理簡(jiǎn)化，對(duì)碎面與孔洞進(jìn)行修補(bǔ)。由于防護(hù)網(wǎng)的網(wǎng)絲及網(wǎng)眼尺寸很小，建模時(shí)直接對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分十分困難，即使采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)建模，成功后其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性仍難以保證，所以該文對(duì)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)簡(jiǎn)化處理。即根據(jù)防護(hù)網(wǎng)網(wǎng)面與來(lái)流的方向，將迎風(fēng)角度相近的網(wǎng)面視為具有相同幾何特征的網(wǎng)平面。本文將防護(hù)網(wǎng)分成了4°、20°、30°和82°共四種不同角度分區(qū)，防護(hù)網(wǎng)分區(qū)示意圖如圖2所示。

在此基礎(chǔ)上，認(rèn)為各分區(qū)上方的氣流均勻，這樣便可使用多孔介質(zhì)模型來(lái)替代各分區(qū)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。首先，使用多孔介質(zhì)模型需要獲取各分區(qū)上相應(yīng)的多孔介質(zhì)參數(shù)，由于各分區(qū)的幾何結(jié)構(gòu)以及相對(duì)來(lái)流的方向不同，所以其多孔介質(zhì)參數(shù)也不同。使用文獻(xiàn)[7]獲取多孔介質(zhì)參數(shù)的方法，擬合各個(gè)分區(qū)平面網(wǎng)上速度與壓降的關(guān)系，可獲取各分區(qū)的多孔介質(zhì)面滲透率、壓力階躍系數(shù)和多孔介質(zhì)厚度三個(gè)多孔介質(zhì)參數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在ICEM軟件中采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析后，最終網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)約31.1萬(wàn)，單元數(shù)約178.3萬(wàn)。本文共計(jì)算了77.78m/s、41.67m/s和11m/s三種氣流速度下的防護(hù)網(wǎng)流場(chǎng)，所有工況與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的實(shí)驗(yàn)工況一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用空氣泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行抽氣，故仿真時(shí)為了模擬真實(shí)的情況，在進(jìn)氣道出口進(jìn)行流量占比設(shè)置，以模擬抽氣的空氣流量。三種情況下抽氣的流量占比分別為0.0066，0.0110和0.0479。

2 ?控制方程

對(duì)于流場(chǎng)中氣流的運(yùn)動(dòng)，除了基本的質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程外，本文還選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來(lái)對(duì)湍流現(xiàn)象進(jìn)行描述。這是一種渦粘模型，不直接處理Reynolds應(yīng)力項(xiàng)，而是引入湍動(dòng)粘度，即Boussinesq假設(shè)，建立應(yīng)力相對(duì)于平均速度梯度的關(guān)系。其數(shù)學(xué)描述如式（1）和（2）：

（1）

（2）

式中，Gk為平均速度梯度引起的額外湍動(dòng)能k項(xiàng);Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的額外項(xiàng);YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);、分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，Sε和Sk為自定義的源項(xiàng)。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模型常數(shù)的取值為：G1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1，σε=1.3。這也是FLUENT軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的默認(rèn)取值。

3 ?結(jié)果分析與討論

氣流速度為41.67m/s的工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道流場(chǎng)的總壓壓力云圖以及流線圖如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出，防護(hù)網(wǎng)前方的總壓壓力約為1290Pa。在進(jìn)氣道內(nèi)，由于防護(hù)網(wǎng)對(duì)氣產(chǎn)生了擾動(dòng)作用，雖然流場(chǎng)壓力在進(jìn)氣道軸向方向基本相同，但在徑向方向卻有明顯差別，徑向方向總壓壓力在400Pa到600Pa之間。氣流壓力在防護(hù)網(wǎng)前后有明顯下降，出現(xiàn)了“壓力階躍”現(xiàn)象，總壓下降了約827Pa。另外，在整流罩的后方，產(chǎn)生了明顯的繞流現(xiàn)象，氣流流速較低。總體來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬得到的流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)情況基本一致。

本文計(jì)算的11m/s、77.78m/s及41.67m/s三種氣流速度下仿真得到的防護(hù)網(wǎng)前后總壓壓降，與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心同工況實(shí)驗(yàn)得到壓降對(duì)比結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，三種工況下仿真得到的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防護(hù)網(wǎng)壓力損失與實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)吻合較好，在空氣速度為11m/s和41.67m/s時(shí)仿真結(jié)果分別比實(shí)驗(yàn)結(jié)果高8.94%和7.12%，在氣流速度為77.78m/s時(shí)仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果低8.72%。這表明了本文提出的基于多孔介質(zhì)模型對(duì)防護(hù)網(wǎng)分區(qū)化簡(jiǎn)和綜合計(jì)算防護(hù)網(wǎng)流場(chǎng)方法的正確性。

4 ?結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)防護(hù)網(wǎng)流場(chǎng)仿真的復(fù)雜性，本文提出了一種基于多孔介質(zhì)模型、分區(qū)簡(jiǎn)化的仿真方法，基于此方法模擬了與中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心實(shí)驗(yàn)相同工況下的防護(hù)網(wǎng)流場(chǎng)，得到不同速度工況下的防護(hù)網(wǎng)進(jìn)氣系統(tǒng)整體流場(chǎng)與實(shí)際情況基本一致，速度為11m/s、41.67m/s以及77.78m/s時(shí)的防護(hù)網(wǎng)前后總壓壓力損失與實(shí)驗(yàn)誤差分別為8.94%、7.12%和-8.72%，證明了本文針對(duì)防護(hù)網(wǎng)流場(chǎng)計(jì)算的數(shù)值模擬方法是有效可行的。本文針對(duì)凸型防護(hù)網(wǎng)流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法，可以為類似的不規(guī)則網(wǎng)/孔類結(jié)構(gòu)流場(chǎng)仿真提供一定的參考和借鑒。

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