基于FLUENT的調節器殼體沖洗工藝仿真分析與優化

李 能

(中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司,貴州 貴陽 550009)

0 引言

調節器殼體是航空燃油附件的重要部件,它起著向發動機燃燒室供油并調節所供給油量的作用。調節器殼體內腔的油路復雜,油路之間相互交叉、貫通,加工后若在油路內存在清潔度隱患會對產品質量造成影響,甚至可能會危害航空發動機安全。在交付裝配之前往往需進行大流量的沖洗工作,若由于流體域內部的構造存在沖洗的盲區,會導致調節器清潔度不能夠得到有效保證,則在工作時可能會對產品的性能產生不利的影響,造成安全隱患。

調節器殼體內部沖洗技術條件的制定一直是憑借經驗沿用傳統仿制工藝,該工藝是依據經驗選取和確定進口位置,給定一定的時間、溫度和壓力,用航空3號噴氣燃料對油路進行沖洗,然后根據對油液的清潔度檢查是否滿足相應的要求來判定沖洗是否合格。這種方法一是沖洗壓力等技術參數選擇依據經驗給定,對其合理性不能進行評價;二是油路沖洗時,調節器殼體是放在一個密閉箱體內進行沖洗,沖洗過程不能直觀地觀察沖洗效果,調節器內腔流體域流速分布的情況無法評價。為此有必要對調節器殼體沖洗工藝進行仿真分析,通過對沖洗時調節器出口流速的預測評價沖洗效果,進而摸清內部流體流動的情況,從而為設計以及工藝參數的選擇提供支撐,進而保證產品質量。

1 仿真概述

本文的仿真是依托FLUENT為工具,遵循以下基本的仿真分析流程,首先是明確仿真的對象和內容,其次是模型進行前處理(前處理包含了繪制幾何模型、模型的網格生成、物理模型設定及求解器設定等),再次是求解計算,最后是后處理分析等。求解計算及后處理分析的流程示意圖如圖1所示。

在圖1所示的沖洗仿真分析示意圖中可知,后處理分析可以得到仿真分析的結果,主要是流線圖、壓力分布圖、速度分布柱狀圖等,這些圖形的功能和作用如下:

(1)壓力分布圖:可用于判斷出口是否有流體流出,如出口存在壓差則必定有流體流出。

(2)速度分布柱狀圖:可用于對比不同工況下,相同位置的結果變化趨勢,便于判斷參數變化對結果的影響程度。

(3)整體流線圖、壓力切片動畫、流線動畫:用于內部流動狀況、壓力分布狀況分析,可判斷流體域內部的流動死區,通過對流動死區的判定從而考慮沖洗進口的位置布置和進口的數量選擇。

2 流體域模型構建

本文采用ANSYS SCDM軟件,利用其固有的流體域抽取方法,對調節器殼體所建立的三維模型進行了流體域的抽取,得到流體域幾何模型,如圖2所示。從圖中可以看到,調節器殼體油路較多且復雜,這些油路對航空發動機的正常工作起到非常重要的作用。

圖2 流體域幾何模型

在抽出的流體域模型的基礎上進一步利用ANSYS Meshing軟件對圖2所示的流體域幾何模型進行網格劃分。通過對網格劃分得到的多個微小單元求解計算,得到整體的變化趨勢,網格模型的示意圖如圖3所示。

本網格模型分別選用1100萬、630萬、350萬的網格進行網格無關性驗證,出口流速的計算結果如圖4所示。可以看出不同數量的網格對計算結果幾乎沒有影響,計算的結果差別不大,可忽略網格的大小對計算結果的影響,網格數量能夠滿足計算的需要。后續選用630萬的網格數量進行計算。

備注:由左到右,三個連接柱體分別為350W、630W、1100W。

從三個方向(X、Y、Z方向)分別作一個截面切片(圖5),從截面切片的情況來看,網格充滿了整個內部流道區域,這樣可進一步認為該網格數量合適。

圖5 網格截面切片觀察(X、Y、Z方向)

3 邊界條件設置

邊界條件的正確設置是仿真計算能夠得到正確結果的前提。經過梳理,本模型共設置進口2個、出口56個。調節器殼體沖洗時進口壓力為1 MPa,各出口初始壓力為0 MPa。采用3號航空煤油作為流動介質,進口壓力為0.5 MPa,考慮其密度與粘度物性參數,3號航空煤油的具體物性參數如下:

1)密度:775～830 kg/m3,取780 kg/m3;

2)運動粘度:1.25 mm2/s,換算后的動力粘度:0.000975 kg·s/m2。換算為動力粘度是因為仿真分析計算時設置的參數為動力粘度。

3.1 計算模型邊界條件

仿真分析計算模型選用SSTk-ω模型,因仿真計算過程中SSTk-ω模型中考慮到了低雷諾數、可壓縮性以及剪切流擴散的影響,該模型適用于受到壁面限制的沖洗過程的仿真計算。

3.2 壓力速度耦合方法邊界條件

在沖洗仿真過程中,仿真計算的收斂性非常重要,仿真收斂,我們的計算結果才精確,若仿真計算發散,那么結果將不可靠。SIMPLEC算法適合于很多問題,航空燃油附件調節器殼體的仿真求解也不例外。

3.3 空間離散化精度邊界條件

當流體流動方向與仿真計算的網格方向一致時,可采用一階迎風離散格式計算。然而當流體流動方向與仿真計算的網格方向不一致時(即當流動斜穿過網格線時),一階離散會增加數值離散誤差(出現數值擴散)。此時使用二階離散可以獲得更好的結果。雖然一階離散格式通常比二階離散格式有更好的收斂性,但它常常會產生不太精確的結果。多數情況下,可以直接使用二階格式進行計算。本文直接使用二階格式進行計算。

4 仿真分析計算

按設定的邊界條件,使用FLUENT進行流體域的仿真分析,給定既定的出口,出口是我們想要觀察的位置。因為出口是否有流速,影響著我們對流體域流動好壞的判定。仿真后得到如圖6所示的流體域流場的流線和壓力分布圖。從各個不同的角度去觀察流體域的內部的流線(圖6(a)),從進口沖洗介質流入之后,由于流體域的內部存在非常復雜的變徑,存在拐彎、交叉、分叉等結構,所以內部流線也變得非常復雜。由于流道的這些變化,在流體域的內部存在局部高速區域,高速區域說明流體的動能高,沖洗能力強。

圖6 流場的流線和壓力分布

沖洗的最終目的是要把雜質順利地攜帶出流體域,這個過程的影響因素非常多,跟流體域的結構特征、流動特征都有直接的關系。但是從通流的角度來講,速度越高,壓力越大,流量越大,肯定對流體域的沖洗攜帶能力越好。

觀察流體域內表面的壓力(圖6(b)),管壁靜壓的產生來自于流體介質的沖擊載荷,所以某處靜壓值越高,說明該處流體的沖擊力也越強,針對該位置的沖洗能力強。

5 流場優化仿真研究

觀察我們設定的出口的流速情況,從仿真計算的結果發現,出口2、3、9存在沖洗能力不足的問題(相關位置示意圖參考圖7,用O2、O3、O9標識出)。

圖7 出口2,3,9位置示意圖

為了改善上述三個位置的通流特性,結合工程實際沖洗的狀況,可以嘗試考慮采用以下3個方面進行優化:1)增大沖洗進口壓力;2)封堵流量較大的出口;3)尋找新的沖洗進口。

5.1 增大沖洗進口壓力

將沖洗入口的壓力增至原來壓力的10倍后進行了仿真計算,結果如圖8所示。

圖8 壓力增至10倍的流量計算結果

從圖8可以看到,將沖洗介質壓力增至10倍之后,出口2、3、9的流量仍然很低,說明增加沖洗壓力對改善出口2、3、9的沖洗性能無益。為了進一步評估流體域的沖洗特性,我們嘗試從流量分配的角度進行調整。首先計算出該模型在所有出口的流量數據,然后嘗試封堵流量最大的幾個出口,通過封堵相應的出口來觀察出口2、3、9的沖洗特性是否有所改善。

5.2 封堵流量較大的出口

通過梳理,結合實際情況,我們分解出該流體域共計56個出口,在計算結束之后,分別采集各個出口的速度進行對比分析,計算結果如圖9所示。

圖9 其余出口的速度統計(m/s)

從計算結果可知:

1)出口6、7、8的流速都比較高(圖9中的outlet6、outlet7、outlet8),沖洗性能有保障,出口2、3、4、9則反之,流速較低(圖9中的outlet2、outlet3、outlet4、outlet9)。

2)出口32、36、45的速度比較高(圖9中的outlet32、outlet36、outlet45),說明出口32、36、45分流了部分流體介質,出口32、36、45的位置見圖7。

對出口32、36、45進行封堵,采用與封堵之前完全相同的計算輸入條件,結果如圖10所示。從計算結果發現:封堵出口32、36、45之后,由于流體域流場結構發生了明顯變化,各個出口位置的流速都發生了一定程度的改變,但是出口2、3、9的流率和速度仍然很低,說明封堵原流量最大的32、36、45出口,對出口2、3、9的沖洗特性沒有改善。

圖10 出口局部封堵之后其余出口的速度統計(m/s)

5.3 尋找新的沖洗進口

通過觀察流體域結構,發現出口9的對側有一個管口,設想如果將該管口設置為沖洗入口的話,可能會對出口9的沖洗特性有所改善。為此,新增入口Inlet4,就出口9的沖洗特性是否改善進行計算,壓力條件不變,Inlet4相關位置示意圖參考圖11,用I4表示。

圖11 新增入口4位置示意圖

新增入口采用與之前完全相同的計算輸入條件,結果如圖12、圖13所示。

圖12 新增入口的設置和計算流場

圖13 新增入口之后出口9的流速

從圖12發現,沖洗介質從inlet4注入后,outlet9能夠獲得明顯的速度和流量提升,沖洗特性改善非常明顯,流速最高已可達423.3 m/s,從流場圖及計算結果(圖13)也可以印證這一點,從inlet4進來的流體直接沖洗到outlet9,說明這個措施對改善出口9的沖洗能力是有效的。

由于到目前為止,出口2、出口3的沖洗特性仍然不是很滿意,因此考慮將所有分支流體域的出口全部封堵,只保留出口2、3,相關邊界條件不變。相關計算結果狀態及結果分別如圖14、圖15。

圖14 只保留出口2,3之后的流場

圖15 只保留出口2,3之后的流速

從計算流場和數據可以發現:將其余出口封堵之后,沖洗介質從inlet1進入(圖14中用I1表示),出口2,3能夠獲得明顯的壓力和速度,沖洗特性有了明顯的改善,出口2的流速可達78 m/s,出口3的流速可達25 m/s。

從上述調節器流體域仿真計算結果可以發現:經過仿真我們可以知道流體在腔內的流速、壓力等技術參數,若這些參數不滿足技術要求,我們可以通過改變進口、封堵等手段來改善流體動力特性,這為我們后續沖洗參數的選擇設置提供了有利的理論支撐。

6 總結

針對復雜流體域沖洗數值仿真計算,基于FLUENT系列仿真工具軟件,進行了詳細的模型處理和計算仿真分析,得到了油路內部各個流場等數據,并基于沖洗性能進行了改善對比。總的來看,采用本仿真方法對航空燃油附件殼體類在制造過程中有以下意義:

1)通過對油路流場的仿真分析,能夠清楚知道流道內部流場的情況,在此基礎上能夠發現現有條件下是否存在不符合預期要求的流體域缺陷,能夠針對這些缺陷提供改善措施并驗證,進而進行有效性的預評估,從而改善流體域。這就能為我們后續改善流體域的設計以及制定沖洗工藝參數提供有力支撐與指導。

2)采用仿真分析的手段可以直觀地顯示目前還不易觀測到的、說不清楚的一些現象,容易理解和分析,還可以顯示試驗都無法看到的發生在結構內部的一些物理現象,如復雜殼體內部的流動死區、渦流等現象,為提高航空附件產品研發的水平以及科學地指導沖洗試驗等方面,具有較強的現實意義。