氧調(diào)器流場(chǎng)特性研究

李 濤 甘俊杰 徐 俊 王居豪 徐 劍 李俊賢

（1.海裝武漢局駐武漢地區(qū)第七軍事代表室 武漢 430233）（2.中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司 襄陽(yáng) 441003）

1 引言

航空供氧防護(hù)裝備可以有效地抵御高空低壓與缺氧環(huán)境［1～6］對(duì)人體產(chǎn)生的各種影響，近百年來(lái)飛機(jī)的各項(xiàng)性能都在持續(xù)提高，供氧防護(hù)裝備的供氧效果和防護(hù)性能也在持續(xù)改進(jìn)和完善［7～12］。新一代的電控式氧調(diào)器采用電控式雙平板肺式活門結(jié)構(gòu)，要想發(fā)揮出電控的優(yōu)勢(shì)，降低呼吸氣阻力，高性能的機(jī)械特性至關(guān)重要。本文針對(duì)現(xiàn)有氧調(diào)器的流量特性及流場(chǎng)情況進(jìn)行分析，并根據(jù)系統(tǒng)要求的流量及呼吸氣阻力指標(biāo)確定相應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

2 氧調(diào)器活門結(jié)構(gòu)及建模

2.1 氧調(diào)器活門結(jié)構(gòu)

氧調(diào)器活門的結(jié)構(gòu)如圖1所示，活門分為A腔、B 腔，A 腔連接高壓氧源，其壓力為高壓氧源壓力，B 腔為內(nèi)腔，其出口由連管連接呼吸面罩。高壓氧氣有A 腔經(jīng)過(guò)錐形活門與活門座的環(huán)形間隙進(jìn)入B腔，在降壓混合后，經(jīng)出口流入氧氣面罩。A腔位于雙平板活門中間，通過(guò)左右兩側(cè)錐形活門進(jìn)氣，因?yàn)閮蓚?cè)活門的尺寸相同，可以平衡高壓側(cè)A腔對(duì)活門的壓力。

圖1 氧調(diào)器活門結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)受力平衡條件可得氧調(diào)器活門力平衡方程：

式中：Fe為活門電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力；FB0為活門彈簧的初始?jí)毫Γ?03KN；Kb活門彈簧的剛性，103KN/mm；Lb為活門彈簧的壓縮量，mm。

當(dāng)活門處于即將開(kāi)啟的臨界狀態(tài)時(shí)，Lb為零，活門電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力Fe為

從式（1）、（2）可得出，活門電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力Fe由活門彈簧的初始?jí)毫?、剛性、壓縮量決定，而與內(nèi)外腔壓差無(wú)關(guān)。

2.2 氧調(diào)器活門模型

氧調(diào)器活門的流通面積為

由氣體在絕熱等熵條件下通過(guò)收斂噴嘴的流量公式可知：

從式（3）、（4）可得出活門流量的理論公式：

3 氧調(diào)器的流場(chǎng)仿真

3.1 流場(chǎng)計(jì)算仿真區(qū)域

為了便于分析整個(gè)氧調(diào)器內(nèi)部的流場(chǎng)，采用SOLIDWORK建立如圖2所示的氧調(diào)器內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域的三維模型。

圖2 氧調(diào)器計(jì)算區(qū)域模型

3.2 仿真區(qū)域網(wǎng)格劃分

將簡(jiǎn)化后的氧調(diào)器模型導(dǎo)入ICEM CFD 中，由于在活門處間隙很小，氣體流速快，流場(chǎng)非常復(fù)雜，所以對(duì)活門區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行加密。對(duì)氧調(diào)器模型采用Robust（Octree）算法，生成四面體網(wǎng)格，并用棱柱型網(wǎng)格以保證網(wǎng)格良好的正交性，劃分后網(wǎng)格數(shù)量為2574586。模型網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 氧調(diào)器模型網(wǎng)格

模型網(wǎng)格采用八叉樹(shù)法進(jìn)行劃分。首先，對(duì)模型的全局網(wǎng)格參數(shù)、面網(wǎng)格參數(shù)、體網(wǎng)格參數(shù)及棱柱網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；其次，對(duì)線上、局部面（活門表面）的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置，將局部網(wǎng)格層數(shù)設(shè)定為5層，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密；最后，計(jì)算生成網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)質(zhì)量較差的網(wǎng)格進(jìn)行廣順，使最差網(wǎng)格質(zhì)量大于0.3，滿足對(duì)模型網(wǎng)格質(zhì)量的要求?；铋T局部加密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 活門處截面網(wǎng)格

4 仿真結(jié)果

4.1 流量特性及分析

氧調(diào)器在不同壓力和活門開(kāi)度下的流量值見(jiàn)圖5。

圖5 氧調(diào)器流量特性曲線

可以看出，一個(gè)呼吸周期內(nèi)的流量隨活門開(kāi)度增大而增大，在相同活門開(kāi)度下，流量隨著進(jìn)口壓力的增大而增大。

4.2 速度特性及分析

氧調(diào)器高壓氧氣由活門進(jìn)入內(nèi)腔低壓區(qū)時(shí)，氣流速度變化最大，并隨著壓力的升高，氣流速度增大。當(dāng)進(jìn)口壓力高，出進(jìn)口壓力比小于等于臨界壓力比時(shí)，活門區(qū)氣體處于超臨界流動(dòng)狀態(tài)，之后在內(nèi)腔內(nèi)混合降速，再?gòu)那惑w出口進(jìn)入氧調(diào)器出口管道，管道內(nèi)的氣體流速非常不均勻，流阻損失大。

圖6 為氧調(diào)器入口壓力為進(jìn)口壓力為350kPa、活門開(kāi)度為0.5mm 的出口管道速度云圖和速度矢量圖，從圖中可以看出從活門進(jìn)入出口管道區(qū)的氣流速度極不均勻，整個(gè)出口管道區(qū)存在多個(gè)轉(zhuǎn)角，氣體流動(dòng)不暢，流阻損失大。出口流速也欠均勻。

圖6 出口區(qū)速度云圖和速度矢量圖

4.3 壓力特性及分析

氧調(diào)器在活門前部為高壓區(qū)，其壓力接近進(jìn)口壓力，氣體流經(jīng)活門后，壓力迅速降低，為低壓區(qū)，低壓區(qū)內(nèi)因流速差異大，壓力也極不均勻，如圖7所示。

圖7 氧調(diào)器出口區(qū)壓力云圖

4.4 流場(chǎng)特性及分析

從圖8 可看出在活門區(qū)域，氣體流動(dòng)復(fù)雜，在氧調(diào)器內(nèi)腔形成多個(gè)渦流區(qū)，流阻損失大。從圖9可看出，氣體在氧調(diào)器內(nèi)腔流入出口管道區(qū)，截面氣體流速極不均勻，形成多個(gè)渦流區(qū)，流阻損失也非常大。

圖8 活門區(qū)流線圖

圖9 出口區(qū)流線速度矢量圖

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域流速變化大，在活門區(qū)域流速變化最大。當(dāng)進(jìn)氣壓力大，出進(jìn)口壓力比小于等于臨界壓比時(shí)，活門區(qū)域出現(xiàn)超臨界流動(dòng)，在局部區(qū)域流速差異大。氣體從進(jìn)口到活門前區(qū)域?yàn)楦邏?，接近進(jìn)口壓力。氣體流過(guò)活門后膨脹增速降壓，在活門內(nèi)腔混合后迅速降壓，到出口處已接近出口壓力。在相同進(jìn)口壓力下，氧調(diào)器流量隨活門開(kāi)度增大而增大。在相同活門開(kāi)度下，流量隨進(jìn)口壓力升高而增大。整個(gè)區(qū)域內(nèi)氣體流動(dòng)非常復(fù)雜，活門內(nèi)腔、管道轉(zhuǎn)角處、管道變徑處有大量渦流產(chǎn)生，氣體流動(dòng)發(fā)生分離，使得流阻增大。因活門壓力差大，整體流程短，仍可保證到滿足出口壓力要求。

根據(jù)氧調(diào)器流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)湍流特征明顯、存在多渦流區(qū)、流速極不均勻等特點(diǎn)，而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中活門區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以進(jìn)一步優(yōu)化，提出了對(duì)其出口管路進(jìn)行優(yōu)化的方案，如圖10所示。

圖10 氧調(diào)器優(yōu)化

將出口管路優(yōu)化為等直徑R=8mm 的彎管。取進(jìn)口壓力分別取為70kPa、350kPa、650kPa，活門開(kāi)度為0.5mm，對(duì)方案進(jìn)行仿真計(jì)算。氧調(diào)器優(yōu)化方案與原結(jié)構(gòu)流量對(duì)比如表1所示，優(yōu)化方案對(duì)其氧調(diào)器流量影響很小，這與之前理論推導(dǎo)得出的活門的流量主要由活門的前后壓差和活門流經(jīng)截面決定相符，流道的改善對(duì)流量影響不大。

表1 雙平板肺式活門氧調(diào)器優(yōu)化方案流量對(duì)比

取進(jìn)口壓力分別取為30kPa、70kPa、350kPa、650kPa，對(duì)應(yīng)流量分別取1.9gs-1、3.0gs-1、6.7gs-1、9.2gs-1，活門開(kāi)度為0.5mm，對(duì)方案進(jìn)行仿真。氧調(diào)器優(yōu)化方案與原結(jié)構(gòu)流量對(duì)比如表2所示，當(dāng)進(jìn)口壓力高時(shí)，改進(jìn)方案對(duì)其出口壓力影響很小，因進(jìn)口壓力遠(yuǎn)高于出口壓力，氣體流經(jīng)活門，其流動(dòng)的湍流特征顯著，壓降損失主要由湍流損失組成，由于流程短，管道產(chǎn)生的流動(dòng)損失對(duì)壓降影響很小，流道的改善對(duì)壓降影響不大。當(dāng)進(jìn)口壓力低時(shí)（30kPa），進(jìn)出口壓差小時(shí)，氣體流動(dòng)湍流特征不顯著，改進(jìn)方案的出口壓力有所提高，說(shuō)明其管道的優(yōu)化有利于降低流動(dòng)阻力，降低吸氣阻力。

從圖11 可看出，改進(jìn)方案的出口管道區(qū)的流場(chǎng)有一定改善，渦流區(qū)域也所減少。取入口流量為6.8g/s、出口壓力為一個(gè)大氣壓，進(jìn)行仿真分析，壓降如所表3所示。

表3 雙平板氧調(diào)器出口管道優(yōu)化方案壓降對(duì)比

圖11 氧調(diào)器改進(jìn)方案活門區(qū)和出口管道區(qū)流線圖（進(jìn)口壓力為350kPa）

從表中對(duì)比可得，當(dāng)出口管道入口氣流均勻時(shí)，改進(jìn)方案的壓降顯著降低，因此，建議在保證出口管道功能的情況下，統(tǒng)一直徑，轉(zhuǎn)彎處采用彎管或倒圓角，減少管道長(zhǎng)度，均有利于減少流阻，降低壓降。

6 結(jié)語(yǔ)

氧調(diào)器采用的活門結(jié)構(gòu)流量大，又因其獨(dú)特的力平衡結(jié)構(gòu)，活門動(dòng)作更容易，響應(yīng)更迅速。通過(guò)流場(chǎng)特性仿真，改進(jìn)了氧調(diào)器的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定了流場(chǎng)特性，減小了流阻，降低了壓降，使后續(xù)控制的感應(yīng)精度更高、響應(yīng)速度更快，有利于進(jìn)一步降低呼吸氣阻力，改善氧調(diào)器性能。