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【子领域应用举例】燃油动力系统

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飞机燃油动力系统是保证发动机正常工作所必需的系统和附件的总称。其组成取决于飞机所用发动机类型,可由下面的全部或部分系统组成:(1)发动机及其起动、操纵系统;(2)发动机固定装置;(3)飞机燃油系统;(4)飞机滑油系统;(5)发动机散热装置;(6)防火和灭火装置;(7)进气和排气装置;在飞机燃油动力系统实际研制过程中,通常需要考虑发动机复杂流动换热、发动机灭火过程、飞机燃油系统分析等问题。


1、压缩机、涡轮机分析


气动稳定性设计是当代航空发动机发展研制过程中的重要技术问题之一。在航空发动机中,对气流最敏感的部件是风扇、压气机和涡轮。在以上3个部件中,CFD的主要应用集中在对压气机和涡轮效率分析上,多级压气机/涡轮最主要的气动问题就是各级流动是否匹配,总的效率是否达到设计要求。在涡轮方面,CFD不仅可以计算涡轮效率,而且对涡轮叶片的冷却效果分析有着重要的应用。下图是ANSYS模拟15级轴流压气机的数值结果。



在针对涡轮的冷却模拟中,CFX软件的表现力更加出色,由于冷却系统的涡轮叶片结构非常复杂,实验无法观察到叶片内部流动状况,而CFX模拟可以很好的显示叶片内部的流动及换热特点,因此越来越多的航空发动机涡轮冷却分析采用了数值模拟的方式。下图是日本三菱公司某航空发动机涡轮叶片冷却分析模拟。


涡轮叶片流动


2、飞机发动机舱内灭火过程Fluent分析


飞机发动机灭火系统极为复杂,而且灭火过程对于飞机安全性影响极大,因此CFD分析已经成为必不可少的评估手段。分析会涉及闪蒸、相变、多相流等复杂流动换热问题,Fluent软件中丰富的多相流及相变模型可以有效解决这一复杂仿真问题。


 


不同时刻监测点发动机灭火过程模拟结果


3、飞机发动机舱内复杂流动换热CFX分析


飞机燃油动力系统结构复杂,飞机发动机燃烧室产生的高温会影响各个部件的传热、应力应变。因此不仅仅需要CFX分析发动机舱内温度场、冷却效果、流动分布,也需要耦合有限元分析温度差导致的结构应力应变,因此ANSYS FSI多物理场分析工具是评估燃油动力系统复杂流动换热及应力应变的必要手段。



4、飞机燃油系统Fluent流体分析


燃油动力系统内部有大量的泵、阀元件,比如有柱塞泵、齿轮泵、离心泵、引射泵等。CFD手段可以对这些泵阀元件的流动性能进行评估,优化设计性能。航空燃油通过这些泵阀元件可能会产生气蚀,这也是影响元件寿命的破坏因素之一,可以应用CFD手段对泵阀流动气蚀现象进行模拟,优化元件设计。除了气蚀外,磨损也是影响元件寿命的重要因素,比如航空燃油以及夹带的杂质颗粒对元件的磨损也可以通过Fluent腐蚀模型进行仿真,用来评估元件的磨损量。


高压柱塞泵和油泵气蚀模拟


5、燃烧室流场分析

ANSYS不仅仅提供了包含丰富化学反应模型的Fluent软件,而且还提供了可以考虑详细化学反应机理的Chemkin产品,在以后发布的版本中,二者的技术结合将会给航空发动机燃烧室复杂化学反应和流动提供完整的模拟手段。下图给出了美国GE公司LM-1600型重型燃机的发动机燃烧室的Chemkin&Fluent数值模拟的温度分布图。


考虑详细化学反应模型的燃烧室流场分布