直升機防砂裝置模化的理論和實驗研究

劉冬冬，李星萍

（中國直升機設計研究所，天津 300000）

1 前言

直升機作為一種重要的空中平臺，需要經常近地面懸停、起飛和著陸以及在海面上方懸停和飛行，環境中的砂塵、雨雪等異物若通過進氣道進入發動機，將不可避免的對發動機的安全運行產生較大威脅，包括發動機葉片的磨損、燃燒室耐熱磁漆涂層磨損、破壞轉動部件的轉子平衡、堵塞葉片冷卻通道等，嚴重時甚至危及直升機的飛行安全。因此安裝防砂裝置就成了直升機進氣防護中的重要手段。

多管式粒子分離器作為直升機上應用最為廣泛的進氣防護裝置，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量一般較多，對全部渦旋管進行三維建模及前處理的工作量及時間成本將會十分巨大，同時對如此龐大的網格模型進行流場仿真也將耗費巨大的計算資源。為能夠在可接受的計算量和時間周期內獲得較為準確地計算結果，采用多孔介質模型對防砂面板進行模化處理便成為解決方案之一。

多孔介質作為流體仿真中典型的阻力模型，已經廣泛應用到了直升機等航空相關的研究領域當中。常柱宇等人在2014年通過多孔介質模型模擬了發動機滑油濾網的壓力變化，證明了多孔介質的有效性。唐進城等人在2019年基于多孔介質模型對某型直升機防護網進行了流場仿真，通過仿真與實驗數據的對比，證明了仿真誤差在工程可接受的范圍內，驗證了該仿真方法的可行性。嚴雄在2020年利用多孔介質對某型直升機的的散熱器進行了仿真分析，大大降低了計算量和計算周期，為冷卻系統的快速設計提供了參考。

目前通過多孔介質對防砂裝置模化的相關研究還較少，缺乏系統的分析和實驗數據，本文采用多孔介質對防砂裝置面板進行模化，并設計了一套實驗臺進行測試及驗證，詳細考察了實驗模型在不同的掃氣比和主流量下的性能變化。同時通過數值計算與實驗數據的對比，獲取了多孔介質模型的粘性阻力系數和慣性阻力系數，驗證了多孔介質模型的有效性和準確性，并給出了在實驗模型放大約12倍后的性能預測，可對放大后模型的進一步優化及分析提供指導。

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，當帶有砂塵顆粒的空氣被吸入渦旋管后，氣流在渦旋管內部的渦旋葉片帶動下產生旋轉，由于離心力的作用，砂塵顆粒被旋轉的氣流攜帶著甩向管內壁，之后由渦旋管上游管和下游管之間的通道甩出并進入排砂通道，最終通過排砂風扇或者引射裝置驅動砂塵排出機體。而干凈的空氣則通過下游管進入進氣道，用以滿足發動機的進氣需求。

圖1 渦旋管結構簡圖

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。渦旋管對進入內部的砂塵等外來物的分離能力可用分離效率ηW表示，即為，

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

由于渦旋管中葉片會對進入氣流帶來一定的壓力損失，因此在考察壓力場時，可用多孔介質模型對其進行代替。多孔介質是一種特殊的流體域，可將流動區域中固體結構的作用看做是附加在流體上的分布阻力。因此在動量方程中添加一個動量源項Si用來模擬多孔介質的阻力效果，源項由兩部分組成，一部分是粘性項，另一部分是慣性項。本文采用均勻多孔介質模化渦旋管區域的流動，其表達式為，

式中，α為滲透率，1/α為粘性阻力系數；C2為慣性阻力系數。

對于整個防砂裝置的壓力場考察，可通過總壓恢復系數和壓力畸變指數來進行表征。總壓恢復系數σ為，

其中為防砂裝置出口截面平均總壓，為采用20°扇形環面的流量加權平均值，p0為進口截面平均總壓。

壓力畸變指數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 實驗系統

實驗裝置主要由實驗件、主通道、排砂通道、砂塵過濾箱、孔板流量計以及驅動風機等組成，如圖2所示。實驗件連接主通道，通過主通道上的驅動風機進行抽吸，以模擬發動機進氣。在實驗件的一側引出圓形管道作為排砂通道，排砂通道末端通過驅動風機進行抽吸，產生排砂效果。實驗測試中，在實驗件出口（即主通道的入口）設置取壓點用以測量防砂裝置的壓力損失，在砂塵過濾箱中設置過濾棉用以收集實驗件排出砂塵的重量，從而計算出分離效率。實驗中通過孔板流量計分別測量主通道及排砂通道的流量及流速。

圖2 防砂裝置實驗測試裝置

圖3所示為實驗件的三維結構，包括5塊防砂面板及相應的排砂管。實驗中采用5個噴槍同時向實驗件的5個渦旋管面板噴出砂塵，實驗中采用ISO12103-1A4砂塵，濃度為1.4g/m3，實驗砂塵總質量為1kg，噴砂時間由主流量及掃氣比進行計算得到。

圖3 實驗件的三維結構

4 防砂裝置的數值模擬

本文采用商用軟件FluentTM對實驗系統進行數值模擬，湍流模型采用可實現的k-?模型，近壁面采用標準壁面函數。壓力速度耦合采用coupled算法，壓力的空間離散采用二階格式，動量的空間離散采用二階迎風格式。模型當中，采用離散相模型（DPM）對含砂塵的進氣進行仿真，并且假定粒子為球形，通過合理的調整粒子個數，以保證各種粒徑的粒子質量分數在標準規定的范圍之內。計算中進口邊界采用壓力進口，出口邊界采用質量流量出口。在實驗件模型的五個端面上，分別劃分具有與渦旋管等截面積與等厚度的多孔介質區域，通過模型計算值不斷與實驗結果進行校對，獲取吻合結果較好的粘性阻力系數和慣性阻力系數。文中數值模型通過網格無關性檢驗計算后，網格總量為122萬。

5 結果和討論

5.1 實驗模型的性能變化規律

為使實驗模型的性能達到一個較優值，實驗考察了不同的掃氣比及主流量對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，不同掃氣比下實驗系統的性能變化。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，而總壓損失則因為單管進氣量增大而升高。考慮到5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時又不帶來過大的總壓損失，后續的研究均選擇5%的掃氣比。

圖4 掃氣比對實驗模型性能的影響

圖5 示出了在掃氣比為5%時，不同的主流量下分離效率和總壓損失的變化規律。可以看出，隨主流量的增大，渦旋管進口的速度升高，導致整體的總壓損失增大。但主流量的增大也加劇了實驗樣件中不同位置渦旋管工況的差異，使得分離效率出現了極值點。

圖5 主流量對實驗模型性能的影響

5.2 多孔介質模化實驗

在利用多孔介質模化渦旋管的過程中，分別給定多孔介質粘性阻力系數和慣性阻力系數的初始值，在掃氣比為5%時，通過不同主流量下的模型計算和實驗，選擇距離主通道入口750mm處作為測壓點，測壓點如圖6所示，將測壓點的計算值與實驗結果進行對比調試，最終迭代獲得粘性阻力系數為40000，慣性阻力系數為19.5。

圖6 測壓點位置及其截面分布

為說明粘性阻力系數和慣性阻力系數的可靠性，圖7至圖9示出了在不同主流量下不同測壓點計算值和實驗值的對比。從圖中可以看出，不同主流量下總壓變化規律較為一致，相同的測壓點計算結果和實驗結果也較為吻合。

圖7 主流量為3 kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比

圖9 主流量為2kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比

圖10給出了不同測壓點在不同主流量下計算值和實驗值的最大相對誤差，可以看到，除在主流量為2kg/s時測壓點2處的相對誤差值為12%外，其余測壓點的最大相對誤差均在10%以下，表明數值計算與實驗值在相同的條件下獲得的結果誤差較小，因此現有的多孔介質參數可以滿足工程需要。

圖8 主流量為2.5 kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比

圖10 測壓點的最大相對誤差

5.3 模型擴大12倍后的性能預測

為考察當防砂裝置放大后對進氣的影響，以實驗模型為基礎，將各個面板上的渦旋管數量、防砂裝置出口截面積以及主流量均放大12倍，同時合理的增設排砂通道，以使得渦旋管的排砂阻力較小同時不同區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參數耦合入放大的三維仿真模型，對其壓力畸變及總壓恢復系數進行數值計算。

圖11和圖12分別為懸停狀態和前飛狀態下防砂裝置出口截面不同相位處的壓力畸變。可以看到，在懸停狀態時，不同流量下防砂裝置出口截面壓力畸變分布規律基本一致，最大壓力畸變在第15相位，為-0.049，其余相位總體而言，壓力畸變值變化較為平滑。在前飛狀態下，前飛速度越大，相應相位的壓力畸變也越大，在前飛速度為260km/h時，最大壓力畸變在第11相位，為-0.126。因此前飛狀態下的壓力場分布更為不均勻。

圖11 懸停狀態下防砂裝置出口周向壓力畸變

圖12 前飛狀態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下防砂裝置出口總壓恢復系數。懸停狀態下，隨進氣量的增大總壓恢復系數逐漸降低，最低總壓系數為98.23%。前飛狀態下，前飛速度越快，總壓恢復系數越低，最低總壓恢復系數為97.4%，可見前飛狀態時進氣流動損失更大。

圖13 懸停狀態下防砂裝置出口總壓恢復系數

圖14 前飛狀態下防砂裝置出口總壓恢復系數

6 結語

本文基于多孔介質模型，利用CFD對防砂裝置的渦旋管進行了模化，并利用實驗臺進行了測試及驗證。考察了掃氣比與主流量對實驗件的影響，實驗發現5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時又不至于帶來過大的總壓損失。通過實驗與仿真的對比，不同測壓點的最大相對誤差基本都在10%以下，表明了多孔介質模型及參數的有效性和準確性。基于該多孔介質模型對實驗模型放大后的性能進行了預測，通過對壓力畸變和總壓恢復系數的探究，發現防砂裝置在前飛時對進氣的影響更大，產生的壓力場分布更為不均勻，流動損失也更大。本文對后續防砂裝置的計算分析及優化提供了借鑒及指導。