基于適航要求的燃油擴(kuò)散器優(yōu)化設(shè)計(jì)

滕葉 李澤園 楊士權(quán)

中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司 廣東 珠海 519040

引言

運(yùn)輸類飛機(jī)在壓力加油時(shí)通常加油流量及流速比較大以滿足較短加油時(shí)間的要求，當(dāng)烴類液體流經(jīng)金屬表面時(shí)，如加油管、過濾器、噴嘴、燃油箱和機(jī)體管路等，會(huì)產(chǎn)生靜電電荷，靜電聚積后釋放可能會(huì)點(diǎn)燃油箱內(nèi)部燃油蒸氣，即使是采用了減輕燃油蒸氣點(diǎn)燃影響措施（IMM）的油箱，燃油蒸氣點(diǎn)燃仍然是相當(dāng)危險(xiǎn)的。

適航規(guī)章CCAR-25.981（a）條燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)要求：在可能由于燃油或其蒸氣的點(diǎn)燃導(dǎo)致災(zāi)難性失效發(fā)生的燃油箱或燃油箱系統(tǒng)內(nèi)的任一點(diǎn)不得有點(diǎn)火源存在。在FAA發(fā)布的適航咨詢通告AC 25.981-1D中則提出了壓力加油時(shí)油箱出口處流速不大于1m/s，被浸沒后不大于7m/s的建議。同時(shí)還提出了為保證進(jìn)入油箱后的燃油不過分?jǐn)_動(dòng)油箱底部已沉積的水分及雜質(zhì)，應(yīng)將燃油出口設(shè)置于油箱中較低的位置，原因在于油箱內(nèi)剩余燃油和底部沉積水分之間可能存在分界面，破壞油箱里的這個(gè)分界面會(huì)導(dǎo)致油氣空間里的靜電釋放，造成燃油蒸氣點(diǎn)燃。

運(yùn)輸類飛機(jī)的壓力加油系統(tǒng)，進(jìn)入油箱的管路出口通常采用喇叭口、簡單笛形管或燃油擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)。喇叭口通過單純增加出口流通面積，使得高速燃油進(jìn)入油箱時(shí)能夠減速，但是燃油的流速不均勻，由于流體慣性在擴(kuò)張?zhí)幦菀桩a(chǎn)生流動(dòng)分離；簡單笛形管管路相對較長，上游和下游壓差較大，由于流量分配不均的問題同樣會(huì)有流速不均勻的情況；兩種形式的流動(dòng)均會(huì)對油箱底部燃油和沉積水分形成較大擾動(dòng)[1]。現(xiàn)有的燃油擴(kuò)散器是一種由外罩及多孔管組成的結(jié)構(gòu)，能夠一定程度上彌補(bǔ)喇叭口及笛形管的缺點(diǎn)。

本文主要針對燃油擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，目的在于保證出口流速滿足要求，同時(shí)流動(dòng)對油箱底部沉積的水分及雜質(zhì)不會(huì)造成過分?jǐn)_動(dòng)而引發(fā)危險(xiǎn)。

1 現(xiàn)有燃油擴(kuò)散器介紹

目前在壓力加油系統(tǒng)中使用了燃油擴(kuò)散器的飛機(jī)主要為國外運(yùn)輸類飛機(jī)，擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)見圖1。在燃油擴(kuò)散器被油箱內(nèi)燃油浸沒前，燃油進(jìn)入多孔管后，由小孔流出，到達(dá)外罩內(nèi)表面，隨后沿外罩導(dǎo)流翻邊流入油箱底部。

圖1 國外運(yùn)輸類飛機(jī)典型燃油擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)

2 對現(xiàn)有燃油擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算

將上述燃油擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)應(yīng)用到某型飛機(jī)上做仿真計(jì)算，對象為燃油擴(kuò)散器被燃油浸沒前的油箱內(nèi)流場。求解燃油流出擴(kuò)散器時(shí)的最大速度和多孔管內(nèi)靜壓分布隨時(shí)間變化的情況，同時(shí)得到燃油擴(kuò)散器本身的總壓損失，為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)做參考，以及為壓力加油系統(tǒng)管網(wǎng)特性計(jì)算提供輸入。

2.1 計(jì)算模型

將燃油擴(kuò)散器多孔管總長度確定為380mm，上表面共有46×24=1104個(gè)小孔，由前至后等間距分布，小孔直徑為2.5mm。

根據(jù)最大加油流量，燃油擴(kuò)散器入口直徑和入口速度，得到燃油擴(kuò)散器內(nèi)部流動(dòng)的雷諾數(shù)約為1.2×106，則燃油擴(kuò)散器管內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流。進(jìn)入燃油擴(kuò)散器的燃油流動(dòng)為充分發(fā)展的管內(nèi)湍流，應(yīng)將完全發(fā)展的管內(nèi)速度分布代入到擴(kuò)散器入口速度分布進(jìn)行計(jì)算。

燃油擴(kuò)散器是左右對稱的，取物理模型的一半進(jìn)行計(jì)算，對模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格生成器為切割體網(wǎng)格生成器和棱柱層網(wǎng)格生成器，由于管內(nèi)壁黏性子層數(shù)據(jù)不是重點(diǎn)關(guān)注對象，故管內(nèi)壁面近壁區(qū)域可采用壁面函數(shù)法進(jìn)行近似求解。多孔出口處進(jìn)行局部加密處理，網(wǎng)格總數(shù)約為300萬。

2.2 邊界條件

在對稱面處使用“對稱”邊界條件。已知燃油擴(kuò)散器的最大流量，對入口使用“速度入口”邊界條件，速度分布為湍流完全發(fā)展的管內(nèi)速度分布[2]。外罩出口處壓力分布非均勻，不適合直接指定壓力，增加油箱內(nèi)計(jì)算域，計(jì)算域大小約為實(shí)際油箱容積的1/5，對油箱上部采用“壓力出口”邊界條件，油箱內(nèi)壓力為大氣壓力。油箱底部及四周為“壁面”邊界條件。

圖2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

2.3 計(jì)算方法

使用CFD軟件進(jìn)行流場計(jì)算，油箱加油為瞬態(tài)問題，采用隱式不定常求解器。

對于涉及氣體和液體的兩相流計(jì)算，不考慮燃油蒸發(fā)時(shí)，燃油擴(kuò)散器內(nèi)氣相和液相不存在相融的現(xiàn)象，分界面明顯，故采用界面追蹤法（VOF）模型。流動(dòng)不可壓，流動(dòng)控制方程為Navier-Stokes方程。加油過程不考慮換熱，不求解能量方程。

在工程湍流的計(jì)算方面，常見的湍流模型方程主要有k-ε雙方程模型、k-ω雙方程模型以及S-A單方程模型。本次計(jì)算可使用常用的k-ε湍流模型。

取燃油擴(kuò)散器最大流量工況作為計(jì)算工況。已知最大流量為382.5L/min，入口速度速度分布為湍流完全發(fā)展的管內(nèi)速度分布。計(jì)算過程中監(jiān)控入口、出口流量。計(jì)算步長0.001s，總時(shí)長3s。

2.4 仿真結(jié)果分析

為了便于對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和討論，對計(jì)算結(jié)果取2個(gè)截面。截面1為燃油流出燃油擴(kuò)散器進(jìn)入油箱的截面，截面2為燃油擴(kuò)散器對稱截面。

圖3 結(jié)果截面選取示意

當(dāng)t=3s時(shí)，流動(dòng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 t=3s時(shí)燃油流出截面速度場

圖5 t=3s時(shí)對稱面靜壓分布

得到燃油流出擴(kuò)散器進(jìn)入油箱最大速度為1.63m/s，擴(kuò)散器流阻約為4.2kPa。

由于燃油進(jìn)入擴(kuò)散器之前的速度方向與小孔出流方向垂直，且根部封閉，造成了靜壓沿著多孔管軸向逐漸增大，靜壓分布前后的差異導(dǎo)致流量分配、出流速度及燃油流出外罩的速度不均勻，導(dǎo)致在擴(kuò)散器在被油箱燃油浸沒之前，燃油流出的速度達(dá)到了1.63m/s，無法滿足適航咨詢通告的要求[3]。

3 燃油擴(kuò)散器優(yōu)化設(shè)計(jì)

為使管內(nèi)靜壓分布相對均勻，嘗試在擴(kuò)散器中沿軸向分別設(shè)置若干個(gè)半圓形擋板，擋板焊接于擴(kuò)散器底部，擋板等間隔排布，高度曲線試取直線和多次曲線如表1，結(jié)構(gòu)示意見圖6。其中a1、a2、a3的值根據(jù)燃油擴(kuò)散器的幾何尺寸計(jì)算得到。

表1 優(yōu)化方案

圖6 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)示意

3.1 仿真計(jì)算

建模、求解方法及求解過程是相似的，不再贅述。

3.2 仿真結(jié)果及分析

取最大流量工況做對比，計(jì)算結(jié)果如下。

圖7 t=3s時(shí)方案1-4對稱面靜壓分布

圖8 t=3s時(shí)方案1-4燃油流出截面速度場

表2 計(jì)算結(jié)果

通過仿真分析結(jié)果可得到以下結(jié)論：

3.2.1 在相同的擋板高度曲線下，擋板數(shù)量增多時(shí)，靜壓分布及流量分配趨向均勻，最大流速降低，擴(kuò)散器流阻增大；

3.2.2 在相同的擋板數(shù)量下，隨著擋板高度曲線方程次數(shù)增大時(shí)，靜壓分布及流量分配趨向均勻，最大流速減??；次數(shù)超過一定程度繼續(xù)增大后，靜壓分布及流量分配向不均勻方向發(fā)展，最大流速增大。

4 結(jié)束語

通過CFD軟件分別對不同擋板數(shù)量及擋板面積的燃油擴(kuò)散器模型進(jìn)行流場仿真，分析了各變量對燃油擴(kuò)散器流出截面的最大流速、靜壓分布及流量分配的影響。通過最大流速、靜壓分布及流量分配變化趨勢可為進(jìn)一步優(yōu)化擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)提供參考。