渦輪阻尼器數值仿真與試驗

文桂林，周 華，金秋談，王艷廣，文 登

(湖南大學 教育部特種裝備先進設計技術與仿真國防重點實驗室，長沙 410082)

渦輪阻尼器相對于傳統的直線活塞式液壓阻尼器，具有緩沖行程長、結構緊湊等優點，其結構與阻尼性能耦合參數較多，具有適應多工況的可調性，適合用作無人機攔阻網回收系統的吸能裝置［1－4］。國內李悅、周儒榮等項目組對不同結構尺寸和不同液體介質的渦輪阻尼器樣件，進行了阻尼力矩系數的測量試驗［5］。

針對某型無人機攔阻網回收系統的開發，需要研制滿足回收系統緩沖過載要求的渦輪阻尼器。本文是在利用LS－DYNA軟件對某型無人機攔阻網回收過程仿真得出渦輪阻尼器必須滿足某特定的力學性能的基礎上進行的，以Fluent軟件的滑移網格法對阻尼器進行數值仿真，求解渦輪阻尼器的結構參數，并設計瞬時沖擊試驗，測試阻尼器的阻尼力響應，驗證數值仿真的正確性以及阻尼器在攔阻網回收系統中的工程實用性。

1 渦輪阻尼器的基本理論

1.1 渦輪阻尼器的基本構造

渦輪阻尼器由轉子和定子組成，基本結構如圖1所示。葉片、轉盤分別和轉軸之間固定聯接，組成轉子。轉軸上鑲有若干個具有縱向和橫向梯形截面的轉子葉片，轉子葉片中間根據需要設計間隙孔或條形縫隙，相鄰葉片的中間間隙位置錯開。箱體為定子，外部固連地基。箱體內側鑲有固定不動的葉片，稱為定子葉片。定子葉片與轉子葉片間有一定的間隙，相鄰轉子葉片的這類間隙一大一小。剎車帶纏繞在轉盤上，轉盤上有一個手柄，以便手動收回剎車帶。液體介質被密封在轉子和箱體之間。渦輪阻尼器的阻尼性能主要由葉片面積(結構尺寸見圖2)與數量、上述縫隙或孔隙以及不可壓縮液體介質的粘性等因素決定。由于影響因素多，需要通過仿真分析與結構優化設計達到預期阻尼性能。

圖1 渦輪阻尼器結構簡圖Fig.1 Structure of turbine damper

圖2 葉片結構Fig.2 Structure of rotated blade

1.2 工作原理

渦輪阻尼器屬于液力式制動器，工作形式是高速向前運動的物體拖動剎車帶向前運動，剎車帶驅動渦輪阻尼器轉子高速旋轉，轉子的葉片攪拌阻尼器內腔中的液體。當液體流經定子葉片與轉子葉片之間的間隙g以及轉子葉片的孔隙或條形縫隙c時，由于通流面積急劇減少，造成間隙處有較高的流速，產生作用于轉子葉片正反面較大的壓力差，從而形成阻止轉子持續轉動的阻尼力矩，以阻礙剎車帶隨物體一起向前運動，使物體減速。

1.3 阻尼力矩分析

渦輪阻尼器的阻尼力矩公式如式(1)所示，阻尼力矩與轉子轉速的平方成正比，阻尼力矩系數K與渦輪阻尼器轉子葉片的數目、轉子的尺寸、轉子葉片間的間隙、定轉子葉片間的間隙、流體介質的密度等因素有著密切的關系［4］。

2 阻尼器結構參數的確定

2.1 數值模擬方法

渦輪阻尼器的數值模擬采用有限元軟件Fluent的滑移網格法來仿真［6］。Fluent的滑移網格模型(Sliding Mesh)可以用來數值模擬移動和變形區域中的流體流動問題。在滑移網格計算中，流體計算域至少包含兩個以上存在相對運動的子域，每個子域至少有一個與相鄰子域連接的交界面，交界面兩側子域在交界面上不共用網格節點，交界面兩側的子域的信息就是通過交界面進行插值相互傳遞的。

渦輪阻尼器的數值模擬中，液體被簡化成單一的不可壓縮的流體，采用SIMPLEC算法解決速度與壓力的耦合問題，渦輪阻尼器內的流態為湍流，在計算時采用RNG k－ε模型，定義為非定常求解。把定子設置為靜止邊界條件，轉子設置為旋轉邊界條件，定義靜止區域與轉動區域之間的交界面，在設置完所有的邊界條件后，再設置各項收斂殘差為10－4。

2.2 阻尼器結構參數的選取

首先應用LS-DYNA有限元軟件［7］仿真某型無人機攔阻網回收系統如圖3所示，其中阻尼器采用軟件中的Discrete單元來模擬，仿真得到無人機在各種工況下成功攔阻時Discrete單元的力學特性為F=λv2，即阻尼器的剎車帶所受拉力與速度的關系為F=λv2，其中F為阻尼器提供給剎車帶的阻尼力，v為剎車帶的運動速度，λ是仿真中得到的系數，詳細的仿真工作由于篇幅有限不加以詳細說明，然后根據阻尼器與剎車帶的力學關系和運動關系計算阻尼器的阻尼力矩系數K，阻尼器的阻尼力矩公式為Mα=Kn2，剎車帶的運動速度與轉子的轉速關系為v=2лrn，r為纏繞在阻尼器轉盤上的剎車帶的有效半徑，剎車帶的拉力與阻尼器的阻尼力矩的關系為Mα=Fr，計算出渦輪阻尼器的阻尼力矩系數K=4л2λr3，因此渦輪阻尼器的設計指標就是使阻尼力矩系數為所計算出的K值。

圖3 LS-DYNA無人機攔阻網回收仿真Fig.3 Arresting recovery simulation in LS-DYNA

通過圖4的阻尼器參數確定流程，確定渦輪阻尼器結構參數，并通過仿真獲得其阻尼特性曲線如圖5所示，同時從曲線的形狀看出:渦輪阻尼器的阻尼力矩與轉速基本成二次曲線的關系，與理論分析相符合。

圖6是轉子轉速為300 r/min，渦輪阻尼器最終結構的轉子表面的壓力分布，可以看出在單個葉片上靠近轉子葉片中間間隙處的壓力最大，轉軸處壓力較小遠離轉軸處壓力較大，同時葉片的正反面具有較大的壓力差。原因是靠近轉軸處液體運動的速度較小而且流動狀態較為平緩，所以轉軸處的壓力小，離轉軸越遠，液體的流動速度較大，且處于紊流狀態，所以遠離轉軸處壓力大;轉子葉片間間隙以及定轉子葉片間間隙處由于通流面積的突然減小，導致此處形成較大的液體流速，所以壓力大，同時葉片的正反面產生較大的壓力差，正是這種壓力差形成阻止轉子持續轉動的阻尼力矩，仿真結果與實際情況相吻合。

圖4 阻尼器參數確定流程圖Fig.4 Parameters definition flow chart of turbine damper

圖5 最終結構的阻尼力矩—轉速曲線Fig.5 Damp moment vs.rotor speed of final structure

圖6 300 r/min時轉子表面壓力分布Fig.6 Pressure distribution on rotor surfaces at 300 r/min

3 渦輪阻尼器試驗

3.1 試驗設備

根據最終確定的結構參數，設計和制造了渦輪阻尼器，實物如圖7所示，試驗設備還包括三角架，剎車帶，配重物，加速度傳感器，數據采集儀，電機，滑輪，掛鉤等。

3.2 試驗原理

圖7 渦輪阻尼器實物Fig.7 Turbine damper

為了模擬某型無人機攔網回收時渦輪阻尼器受到瞬時沖擊力的工作性能，設計了原理如圖8所示的沖擊試驗，測試了阻尼器在沖擊力作用下的動態緩沖特性。渦輪阻尼器通過地腳螺栓固定在硬基地面上，阻尼器的剎車帶繞過三角架頂端的滑輪與配重物相連，配重物懸掛在滑輪的掛鉤上，電機用于控制滑輪距頂端的高度H1來調整配重物自由下落的高度H，進而控制阻尼器受到的瞬時沖擊速度。試驗開始時，配重物從掛鉤上脫落作自由落體運動，當配重物快著地的瞬間剎車帶被拉直，渦輪阻尼器受到沖擊力作用。

3.3 試驗結果與仿真結果比較

試驗時配重物重50 kg，配重物在著地瞬時速度為25 m/s，同時以相同的工況對阻尼器進行仿真計算，得到了試驗與仿真兩種情況下阻尼器的阻尼力對比曲線如圖9所示。

試驗結果與仿真結果對比看出，兩曲線比較接近，緩沖吸能都在1 s左右完成，響應時間的起點都在3.9 s左右，試驗拉力峰值為2.84 kN，仿真結果為3.10 kN，拉力峰值誤差為8.39%，在工程許可誤差范圍內，結果表明阻尼器的數值仿真是正確的，渦輪阻尼器滿足某型無人機攔阻網回收系統的緩沖性能設計要求。

圖8 阻尼器沖擊試驗原理圖Fig.8 Impact test principle diagram of damper

圖9 試驗和仿真結果曲線對比Fig.9 Comparison of test and simulation results

4 結論

本文應用流體有限元軟件Fluent對渦輪阻尼器進行了數值仿真計算，通過仿真獲得了滿足某型無人機攔網回收系統所需阻尼特性的渦輪阻尼器結構參數;試驗測試了阻尼器的動態緩沖特性，仿真結果與試驗結果較為接近，達到了工程許可范圍。

［1］ Schaible J J.Evaluation of the 44B －2E aircraft arresting system with deadloads and the F－14 aircraft［R］.NATFEN －1138，ADB011019，1976，4.

［2］陳瑜洲，穆宇新.國產飛機攔阻裝置概況［J］.航空工藝技術，1991，1:41 －42.

［3］李守佳，于靜成.國產LZ－Ⅲ型飛機攔阻設備［J］.航空學報，1990，11(2):543 －548.

［4］吳 娟，袁朝輝.某型飛機攔阻系統建模分析及仿真實現［J］.空軍工程大學學報，2001，2(6):11 －14.

［5］李 悅，周儒榮，周同禮.渦輪阻尼器的試驗研究［J］.吉林大學學報，2003，33(1):64 －68.

［6］江 帆，黃 鵬.Fluent高級應用與實例分析［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［7］白金澤.LS-DYNA3D理論基礎與實例分析［M］.北京:科學出版社，2005.