直升機(jī)防砂裝置?；睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)研究

劉冬冬，李星萍

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，天津 300000）

1 前言

直升機(jī)作為一種重要的空中平臺(tái)，需要經(jīng)常近地面懸停、起飛和著陸以及在海面上方懸停和飛行，環(huán)境中的砂塵、雨雪等異物若通過進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，將不可避免的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行產(chǎn)生較大威脅，包括發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的磨損、燃燒室耐熱磁漆涂層磨損、破壞轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)子平衡、堵塞葉片冷卻通道等，嚴(yán)重時(shí)甚至危及直升機(jī)的飛行安全。因此安裝防砂裝置就成了直升機(jī)進(jìn)氣防護(hù)中的重要手段。

多管式粒子分離器作為直升機(jī)上應(yīng)用最為廣泛的進(jìn)氣防護(hù)裝置，其基本單元為渦旋管。由于渦旋管的孔徑尺寸相比于防砂裝置整體的尺寸較小，且防砂裝置中渦旋管的數(shù)量一般較多，對(duì)全部渦旋管進(jìn)行三維建模及前處理的工作量及時(shí)間成本將會(huì)十分巨大，同時(shí)對(duì)如此龐大的網(wǎng)格模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真也將耗費(fèi)巨大的計(jì)算資源。為能夠在可接受的計(jì)算量和時(shí)間周期內(nèi)獲得較為準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)果，采用多孔介質(zhì)模型對(duì)防砂面板進(jìn)行?；幚肀愠蔀榻鉀Q方案之一。

多孔介質(zhì)作為流體仿真中典型的阻力模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了直升機(jī)等航空相關(guān)的研究領(lǐng)域當(dāng)中。常柱宇等人在2014年通過多孔介質(zhì)模型模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油濾網(wǎng)的壓力變化，證明了多孔介質(zhì)的有效性。唐進(jìn)城等人在2019年基于多孔介質(zhì)模型對(duì)某型直升機(jī)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行了流場(chǎng)仿真，通過仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，證明了仿真誤差在工程可接受的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該仿真方法的可行性。嚴(yán)雄在2020年利用多孔介質(zhì)對(duì)某型直升機(jī)的的散熱器進(jìn)行了仿真分析，大大降低了計(jì)算量和計(jì)算周期，為冷卻系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)提供了參考。

目前通過多孔介質(zhì)對(duì)防砂裝置?；南嚓P(guān)研究還較少，缺乏系統(tǒng)的分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文采用多孔介質(zhì)對(duì)防砂裝置面板進(jìn)行?；?，并設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試及驗(yàn)證，詳細(xì)考察了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌膾邭獗群椭髁髁肯碌男阅茏兓?。同時(shí)通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，獲取了多孔介質(zhì)模型的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，驗(yàn)證了多孔介質(zhì)模型的有效性和準(zhǔn)確性，并給出了在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头糯蠹s12倍后的性能預(yù)測(cè)，可對(duì)放大后模型的進(jìn)一步優(yōu)化及分析提供指導(dǎo)。

2 防砂裝置的分析方法

如圖1所示為渦旋管的砂塵分離原理示意圖。其中渦旋管作為直升機(jī)防砂裝置的核心元部件，主要包括上游管、下游管以及中間的渦旋葉片，當(dāng)帶有砂塵顆粒的空氣被吸入渦旋管后，氣流在渦旋管內(nèi)部的渦旋葉片帶動(dòng)下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，砂塵顆粒被旋轉(zhuǎn)的氣流攜帶著甩向管內(nèi)壁，之后由渦旋管上游管和下游管之間的通道甩出并進(jìn)入排砂通道，最終通過排砂風(fēng)扇或者引射裝置驅(qū)動(dòng)砂塵排出機(jī)體。而干凈的空氣則通過下游管進(jìn)入進(jìn)氣道，用以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣需求。

圖1 渦旋管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

渦旋管中排砂氣流流量與通過下游管出口的氣流流量之比即為掃氣比φ，其表達(dá)式為，

式中，V2為排砂流量，V1為通過下游管出口的氣流流量。渦旋管對(duì)進(jìn)入內(nèi)部的砂塵等外來(lái)物的分離能力可用分離效率ηW表示，即為，

其中，W1是單位時(shí)間內(nèi)離開渦旋管下游管出口的空氣中所含砂塵等外來(lái)物的重量，W2是單位時(shí)間內(nèi)由渦旋管上游管和下游管之間的通道甩出進(jìn)入排砂通道的砂塵等外來(lái)物的重量。

由于渦旋管中葉片會(huì)對(duì)進(jìn)入氣流帶來(lái)一定的壓力損失，因此在考察壓力場(chǎng)時(shí)，可用多孔介質(zhì)模型對(duì)其進(jìn)行代替。多孔介質(zhì)是一種特殊的流體域，可將流動(dòng)區(qū)域中固體結(jié)構(gòu)的作用看做是附加在流體上的分布阻力。因此在動(dòng)量方程中添加一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)Si用來(lái)模擬多孔介質(zhì)的阻力效果，源項(xiàng)由兩部分組成，一部分是粘性項(xiàng)，另一部分是慣性項(xiàng)。本文采用均勻多孔介質(zhì)模化渦旋管區(qū)域的流動(dòng)，其表達(dá)式為，

式中，α為滲透率，1/α為粘性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)。

對(duì)于整個(gè)防砂裝置的壓力場(chǎng)考察，可通過總壓恢復(fù)系數(shù)和壓力畸變指數(shù)來(lái)進(jìn)行表征?？倝夯謴?fù)系數(shù)σ為，

其中為防砂裝置出口截面平均總壓，為采用20°扇形環(huán)面的流量加權(quán)平均值，p0為進(jìn)口截面平均總壓。

壓力畸變指數(shù)DC為，

其中，防砂裝置出口截面按扇形20°等分，60為相鄰20°扇形所組成的60°扇形面的平均總壓最小值。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置主要由實(shí)驗(yàn)件、主通道、排砂通道、砂塵過濾箱、孔板流量計(jì)以及驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)等組成，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)件連接主通道，通過主通道上的驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽吸，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣。在實(shí)驗(yàn)件的一側(cè)引出圓形管道作為排砂通道，排砂通道末端通過驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽吸，產(chǎn)生排砂效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，在實(shí)驗(yàn)件出口（即主通道的入口）設(shè)置取壓點(diǎn)用以測(cè)量防砂裝置的壓力損失，在砂塵過濾箱中設(shè)置過濾棉用以收集實(shí)驗(yàn)件排出砂塵的重量，從而計(jì)算出分離效率。實(shí)驗(yàn)中通過孔板流量計(jì)分別測(cè)量主通道及排砂通道的流量及流速。

圖2 防砂裝置實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

圖3所示為實(shí)驗(yàn)件的三維結(jié)構(gòu)，包括5塊防砂面板及相應(yīng)的排砂管。實(shí)驗(yàn)中采用5個(gè)噴槍同時(shí)向?qū)嶒?yàn)件的5個(gè)渦旋管面板噴出砂塵，實(shí)驗(yàn)中采用ISO12103-1A4砂塵，濃度為1.4g/m3，實(shí)驗(yàn)砂塵總質(zhì)量為1kg，噴砂時(shí)間由主流量及掃氣比進(jìn)行計(jì)算得到。

圖3 實(shí)驗(yàn)件的三維結(jié)構(gòu)

4 防砂裝置的數(shù)值模擬

本文采用商用軟件FluentTM對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型采用可實(shí)現(xiàn)的k-?模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力速度耦合采用coupled算法，壓力的空間離散采用二階格式，動(dòng)量的空間離散采用二階迎風(fēng)格式。模型當(dāng)中，采用離散相模型（DPM）對(duì)含砂塵的進(jìn)氣進(jìn)行仿真，并且假定粒子為球形，通過合理的調(diào)整粒子個(gè)數(shù)，以保證各種粒徑的粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)。計(jì)算中進(jìn)口邊界采用壓力進(jìn)口，出口邊界采用質(zhì)量流量出口。在實(shí)驗(yàn)件模型的五個(gè)端面上，分別劃分具有與渦旋管等截面積與等厚度的多孔介質(zhì)區(qū)域，通過模型計(jì)算值不斷與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校對(duì)，獲取吻合結(jié)果較好的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。文中數(shù)值模型通過網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)計(jì)算后，網(wǎng)格總量為122萬(wàn)。

5 結(jié)果和討論

5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男阅茏兓?guī)律

為使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男阅苓_(dá)到一個(gè)較優(yōu)值，實(shí)驗(yàn)考察了不同的掃氣比及主流量對(duì)模型分離效率和總壓損失的影響。

圖4 為主流量為2.84kg/s時(shí)，不同掃氣比下實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能變化。從圖中可以看出，同一主流量下，分離效率隨掃氣比的升高逐漸增大，在5%后變化逐漸平緩，而總壓損失則因?yàn)閱喂苓M(jìn)氣量增大而升高?？紤]到5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時(shí)又不帶來(lái)過大的總壓損失，后續(xù)的研究均選擇5%的掃氣比。

圖4 掃氣比對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托阅艿挠绊?/p>

圖5 示出了在掃氣比為5%時(shí)，不同的主流量下分離效率和總壓損失的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨主流量的增大，渦旋管進(jìn)口的速度升高，導(dǎo)致整體的總壓損失增大。但主流量的增大也加劇了實(shí)驗(yàn)樣件中不同位置渦旋管工況的差異，使得分離效率出現(xiàn)了極值點(diǎn)。

圖5 主流量對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托阅艿挠绊?/p>

5.2 多孔介質(zhì)模化實(shí)驗(yàn)

在利用多孔介質(zhì)?；瘻u旋管的過程中，分別給定多孔介質(zhì)粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的初始值，在掃氣比為5%時(shí)，通過不同主流量下的模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，選擇距離主通道入口750mm處作為測(cè)壓點(diǎn)，測(cè)壓點(diǎn)如圖6所示，將測(cè)壓點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比調(diào)試，最終迭代獲得粘性阻力系數(shù)為40000，慣性阻力系數(shù)為19.5。

圖6 測(cè)壓點(diǎn)位置及其截面分布

為說明粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的可靠性，圖7至圖9示出了在不同主流量下不同測(cè)壓點(diǎn)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。從圖中可以看出，不同主流量下總壓變化規(guī)律較為一致，相同的測(cè)壓點(diǎn)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為吻合。

圖7 主流量為3 kg/s時(shí)測(cè)壓點(diǎn)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

圖9 主流量為2kg/s時(shí)測(cè)壓點(diǎn)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

圖10給出了不同測(cè)壓點(diǎn)在不同主流量下計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的最大相對(duì)誤差，可以看到，除在主流量為2kg/s時(shí)測(cè)壓點(diǎn)2處的相對(duì)誤差值為12%外，其余測(cè)壓點(diǎn)的最大相對(duì)誤差均在10%以下，表明數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值在相同的條件下獲得的結(jié)果誤差較小，因此現(xiàn)有的多孔介質(zhì)參數(shù)可以滿足工程需要。

圖8 主流量為2.5 kg/s時(shí)測(cè)壓點(diǎn)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

圖10 測(cè)壓點(diǎn)的最大相對(duì)誤差

5.3 模型擴(kuò)大12倍后的性能預(yù)測(cè)

為考察當(dāng)防砂裝置放大后對(duì)進(jìn)氣的影響，以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，將各個(gè)面板上的渦旋管數(shù)量、防砂裝置出口截面積以及主流量均放大12倍，同時(shí)合理的增設(shè)排砂通道，以使得渦旋管的排砂阻力較小同時(shí)不同區(qū)域的渦旋管能夠較為均勻的排出砂塵。將前述獲取的多孔介質(zhì)參數(shù)耦合入放大的三維仿真模型，對(duì)其壓力畸變及總壓恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖11和圖12分別為懸停狀態(tài)和前飛狀態(tài)下防砂裝置出口截面不同相位處的壓力畸變。可以看到，在懸停狀態(tài)時(shí)，不同流量下防砂裝置出口截面壓力畸變分布規(guī)律基本一致，最大壓力畸變?cè)诘?5相位，為-0.049，其余相位總體而言，壓力畸變值變化較為平滑。在前飛狀態(tài)下，前飛速度越大，相應(yīng)相位的壓力畸變也越大，在前飛速度為260km/h時(shí)，最大壓力畸變?cè)诘?1相位，為-0.126。因此前飛狀態(tài)下的壓力場(chǎng)分布更為不均勻。

圖11 懸停狀態(tài)下防砂裝置出口周向壓力畸變

圖12 前飛狀態(tài)防砂裝置出口周向壓力畸變

圖13 和圖14分別為懸停和前飛狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)。懸停狀態(tài)下，隨進(jìn)氣量的增大總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低，最低總壓系數(shù)為98.23%。前飛狀態(tài)下，前飛速度越快，總壓恢復(fù)系數(shù)越低，最低總壓恢復(fù)系數(shù)為97.4%，可見前飛狀態(tài)時(shí)進(jìn)氣流動(dòng)損失更大。

圖13 懸停狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)

圖14 前飛狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于多孔介質(zhì)模型，利用CFD對(duì)防砂裝置的渦旋管進(jìn)行了模化，并利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試及驗(yàn)證。考察了掃氣比與主流量對(duì)實(shí)驗(yàn)件的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時(shí)又不至于帶來(lái)過大的總壓損失。通過實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比，不同測(cè)壓點(diǎn)的最大相對(duì)誤差基本都在10%以下，表明了多孔介質(zhì)模型及參數(shù)的有效性和準(zhǔn)確性?；谠摱嗫捉橘|(zhì)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头糯蠛蟮男阅苓M(jìn)行了預(yù)測(cè)，通過對(duì)壓力畸變和總壓恢復(fù)系數(shù)的探究，發(fā)現(xiàn)防砂裝置在前飛時(shí)對(duì)進(jìn)氣的影響更大，產(chǎn)生的壓力場(chǎng)分布更為不均勻，流動(dòng)損失也更大。本文對(duì)后續(xù)防砂裝置的計(jì)算分析及優(yōu)化提供了借鑒及指導(dǎo)。