某型APU燃燒室熱應力分析

陳振中，賈 瑞，王璐璐，胡靖宇

(1.沈陽航空航天大學 民用航空學院，沈陽 110136；2.中國南方航空股份有限公司 沈陽維修基地，沈陽 110000)

0 引言

輔助動力裝置(APU)是飛機上的一套獨立的小型輔助動力系統[1]。近年來，隨著軍民用飛機的不斷發展，對APU的可靠性等具有更高要求[2]。目前，關于發動機燃燒室的研究大多是數值分析結合實際試車或維修數據相互驗證來進行[3-6]。常博博等人[7]采用部件法建立了某型APU數學模型并進行了數值仿真；羅紹文等人[8]利用CFD技術對單級微型渦輪的氣動性能進行了研究；林志勇等人[9]計算了環形回流燃燒室三維兩相噴霧燃燒流場，研究不同進口溫度和油氣比對兩相噴霧燃燒流場的影響；崔博等人[10]使用CFD軟件建立了環形燃燒室的氣液兩相燃燒計算模型；陳振中等人[11]通過使用Fluent軟件，分析了APU排氣腔體內部氣體溫度、流速和氣動壓力分布情況；孫科等人[12]采用湍流S-A模型對渦槳發動機進行吹風流場仿真計算并對比試驗結果，二者吻合度良好；張志秋等人[13]成功運用數值仿真分析方法對低溫風洞擴散段進行了耦合分析。

本文結合某民航維修基地實際維修案例，進行某型APU故障損傷分析。實際工況中導致構件疲勞損傷的因素較多，熱端部件常常是因為處于高溫工作環境下，強度下降而發生疲勞破壞，故本文主要探究熱應力對構件產生的損傷影響。

1 建模及網格劃分

1.1 構建模型

本文通過UG軟件對燃燒室構件進行等比例三維模型構建，建模過程中結合燃燒室實際工作環境對結構進行了適當簡化處理，燃燒室三維實體模型如圖1所示。

村里的自來水受天氣因素的影響，水質不好，水對于傣族人民有著特殊的意義，人們對水量和水質的要求比較高，村民們為了保障自己用水的方便與健康，很多人家都安裝了凈水機。

圖1 燃燒室三維實體模型

通過DM模塊在構件三維模型的基礎上創建密閉平面，使用“FILL”指令在其內部完成流場的填充，流場如圖2所示。

圖2 流場

1.2 網格劃分

能量方程表示流體中能量的增加率和外力對流體所作的功之和相等：

圖3 網格劃分模型

動量守恒定律是指某一流體微元體隨時間的變化率和該流體微元體上所受總外力相等：

圖4 網格正交質量圖

2 基本物理方程

本文所研究的某型APU燃燒室的熱應力問題，根據其正常工作狀態下的相關氣體速度、壓強以及溫度等參數數值，設置燃燒室流體域的邊界條件[14-18]。燃料入口設為質量速度進口，速度為0.08 kg/s，溫度460 K；空氣進口邊界設定為速度進口，速度為50 m/s，溫度為600 K；出口選用壓力出口，壓強為0.33 MPa；將進氣口湍流強度設為 10%，湍流粘度比為 20；為兼顧計算精度和計算能力，選用標準k-ε湍流模型；選用P1傳熱模型模擬燃燒室內部輻射傳熱；選用PDF非預混燃燒模擬湍流擴散燃燒；采用SIMPLE算法以及二階迎風格式求解。

2.1 質量守恒方程

質量守恒定律是指某一時間內流入微元體的流體質量與構件內部增加的流體質量是相同的：

其中：v是流體速度矢量；ρ是流體密度。

2.2 動量守恒方程

考慮到計算精度，網格劃分后采用正交品質對網格進行質量檢驗。網格正交質量圖如圖4所示，網格正交品質集中分布在1附近，網格質量較好，可以用于計算。

這種象征的易象與“道”相聯系，也具有形上性的特征。劉若愚在《中國文學理論》中認為:“在‘形上’的標題下，可以包括以文學為宇宙原理之顯現這種概念為基礎的各種理論”，“在形上理論中，宇宙原理通常稱為‘道'”[12](P20)。宇宙原理僅是“道”的涵義的一部分，《周易》一書多次提到了形而上的“道”，《易傳·系辭》曰：

2.3 能量守恒方程

通過“MESH”指令進行燃燒室構件內部的流體區域網格劃分，同時進行局部網格加密，網格單元數為3309544，網格劃分模型如圖3所示。

打造農產品物流平臺。在天津食品集團的大力扶持下，搭建實體貿易鏈和網上貿易平臺。建設總庫容為4萬噸的平房倉庫，發展大宗農產品物流。將集團和國內的優質產品打入保加利亞及歐洲國家，將保加利亞及歐洲特色農產品引入中國，依托京津冀協同發展的廣闊市場，積極發展中保雙邊貿易。

其中:p為壓力；ζxx、ζyx、ζzx是氣體粘性應力分量；αx、αy、αz是流體加速度在x、y和z方向上的分量。

3 結果與討論

3.1 邊界條件設置

針對APU燃燒室的實際工況，流場仿真計算主要服從以下三個基本守恒方程，即質量守恒、動量守恒和能量守恒方程。

綜上所述，螺內酯對神經母細胞瘤細胞具有誘導凋亡的作用，其機制可能與調節Bcl-2和Bax表達平衡有關。由于螺內酯體外誘導SK-N-SH細胞凋亡的劑量比較低，提示該藥有一定的抑瘤作用，對于尋求神經母細胞瘤更好的生物和化學療法具有潛在的價值。

3.2 仿真計算

將流場計算結果導入穩態熱分析模塊，根據實際工況，設置燃燒室外部環境溫度為300 ℃，對流換熱系數為20.27 W/(·°C)，得到燃燒室表面溫度分布云圖如圖5所示。結果顯示，內環冷卻孔孔緣位置溫度最高，高達1187.87 ℃，高溫易使該位置強度下降，同時由于是內環冷卻孔也容易因溫度梯度過大產生疲勞損傷。

國內PBL教學模式在健康管理學教學的應用受到一定限制：首先，在我國，健康管理作為新興學科，剛剛起步，專業人員及師資不足，雖有示范基地，但相對交流機會較少。在我國醫學院校，很難要求學生花大量時間查閱大量資料，PBL教學模式在實際教學中很難進行應用推廣。其次，我國醫學院一直采取傳統教學模式，學生的自學能力不是很強，倘若最基本的健康管理知識、基礎理論掌握不夠扎實，再加上對各學科相互聯系的理論知識不融會貫通，只強調學生解決問題的能力，那就容易造成健康狀態評估的片面化，影響全局觀。所以，單純采用PBL的教學方式，難以收到好的效果。

圖5 燃燒室溫度分布云圖

通過構建“流-固”耦合模型，將穩態熱分析模塊得到的溫度分布云圖導入到靜力分析模塊中，進一步計算燃燒室的熱應力和位移場分布云圖。由于在穩態熱分析模塊中已經知道內環冷卻孔位置是受熱載嚴重區域，故而應力計算以及位移場計算主要根據內環部分進行計算，內環部分熱應力分布云圖如圖6所示，內環部分位移場云圖如圖7所示。從圖中可以看出，溫度高的位置多承受壓應力，溫度低的位置承受著拉應力，這是由于燃燒室上每個單元溫度不同而且相互約束不能自由熱膨脹導致的，從而形成熱應力，而在熱應力下發生位移，最終產生損傷裂紋。

圖6 內環部分熱應力分布云圖

圖7 內環部分位移場云圖

3.3 結果對比

通過仿真計算APU燃燒室穩態工作狀態下的溫度場和應力場，結果表明，燃燒室內環冷卻孔孔口邊緣部位溫度較高，通過位移場可以看出內壁的孔邊有較為明顯的變形。送修構件主要破損位置如圖8所示。通過對比分析結果和實際燃燒室破壞時產生的裂紋位置基本一致。

圖8 送修構件主要破損位置

4 結論

本文主要利用數值分析方法，通過有限元計算軟件 ANSYS對某型APU燃燒室三維模型正常工作狀態下的溫度場、應力場的耦合進行了模擬分析。通過對比仿真計算結果和實際送修構件損傷情況，發現燃燒室內環冷卻孔位置在正常工作狀態下由于過高溫度梯度而導致高應力狀態。孔緣極易過早萌生裂紋，縮短其使用壽命，造成性能下降乃至產生安全隱患。另外由于燃燒室結構十分復雜，同時周身遍布各種開孔結構，極易出現較大的溫度梯度，從而導致極高的熱應力，因此建議在發動機啟動階段，盡量緩慢、平穩啟動以延長燃燒室使用壽命。該仿真計算結果較為符合實際工作情況，在今后的維修工作中應該著重加強對易損傷部位的維護。