趙一帆

(中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引 言

直升機(jī)主減速器艙是直升機(jī)的重要部位，大部分直升機(jī)型號(hào)上，主減速器艙內(nèi)部都包含了主減速器以及部分電器、液壓、潤(rùn)滑散熱等系統(tǒng)的附件、傳感器、管路、配線裝置。其中主減速器作為直升機(jī)的關(guān)重件，本身在工作中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，是主減速器艙內(nèi)的主要熱源。包括主減在內(nèi)的各部件，都需要在許用溫度限以下才能保證直升機(jī)的正常工作[1-2]。

對(duì)于部分輕型直升機(jī)，不裝備壓力潤(rùn)滑散熱系統(tǒng)，主減速器以及主減速器艙內(nèi)其他部件工作產(chǎn)生的熱量全部需要通過(guò)主減速器艙與外界大氣通風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱；對(duì)于噸位更大的直升機(jī)，主減速器采用壓力潤(rùn)滑，并設(shè)置外滑油系統(tǒng)，通過(guò)散熱器對(duì)主減速器滑油進(jìn)行散熱，只有少部分熱量通過(guò)主減速器艙與外界大氣通風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱，直升機(jī)噸位越大，通風(fēng)散熱占比越小，一般來(lái)說(shuō)，通風(fēng)散熱量不低于最大散熱需求的10%。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究更多地集中于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度分布的數(shù)值研究[3-4]，筆者則以直升機(jī)主減速器艙建立模型，采用數(shù)值仿真的方法研究主減速器艙流場(chǎng)特性與通風(fēng)散熱效果，并與主減速器散熱設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對(duì)比。

1 計(jì)算方法與仿真建模

1.1 基本方程

主減速器艙內(nèi)流動(dòng)湍流流動(dòng)可近似為不可壓縮的湍流流動(dòng)，遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[5]，如式(1)～(3)。

連續(xù)方程式質(zhì)量守恒方程的表達(dá)式如下：

(1)

粘性流體的動(dòng)量方程是動(dòng)量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，表達(dá)式如下：

(2)

能量守恒方程如下：

(3)

1.2 數(shù)值仿真模型

在主減速器艙數(shù)值仿真中，由于內(nèi)部的減速器安裝結(jié)構(gòu)、附件、線路管路等布置復(fù)雜，完整仿真難以實(shí)現(xiàn)。因此，為簡(jiǎn)化模型，忽略了主減速器艙內(nèi)的安裝件、管路與附件，并對(duì)主減速器外輪廓復(fù)雜曲面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并對(duì)主減速器艙進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分十分困難，因此選擇非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，并對(duì)靠近主減速器表面的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，計(jì)算表明，在網(wǎng)格量182.7萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果不因網(wǎng)格量增加有明顯變化。最終形成仿真模型如圖1所示。

圖1 主減速器艙數(shù)值仿真網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算方法及邊界條件

湍流模型采用被廣泛應(yīng)用的RNGk-ε二方程湍流模型；開啟Energy模型用于模擬艙內(nèi)流體傳熱；各部件表面的流動(dòng)邊界條件采用固體壁面無(wú)滑移邊界條件；由于主減速器艙復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)很低，忽略主減速器艙殼體與外界環(huán)境的傳熱；主要模擬仿真空氣通風(fēng)散熱現(xiàn)象，忽略艙內(nèi)輻射換熱；采用二階精度格式計(jì)算。

本文主要針對(duì)直升機(jī)的懸停狀態(tài)進(jìn)行研究，重力方向垂直向下即-z方向。主減速器艙作為一個(gè)半封閉的流場(chǎng)區(qū)域，具有氣流進(jìn)口、排氣口、槳轂安裝位置下方開口等流場(chǎng)邊界，艙進(jìn)口最大空氣流量約為14 m3/s，選取流量入口；計(jì)算域流體為空氣，環(huán)境壓力1 atm，環(huán)境溫度298.16 K。主減表面設(shè)置為固定溫度360 K，根據(jù)主減速器油池內(nèi)滑油一般溫度給定邊界條件。邊界設(shè)置如表1所列。

表1 仿真模型邊界條件設(shè)置

2 數(shù)值仿真分析

2.1 主減速器艙流場(chǎng)仿真結(jié)果

主減速器艙內(nèi)范圍緊湊集中、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)曲面變化復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)特性較為復(fù)雜。通過(guò)對(duì)主減速器艙流場(chǎng)情況開展仿真分析，得到主減速器艙流場(chǎng)流線與速度場(chǎng)變化結(jié)果云圖(見圖2)。根據(jù)流線圖與速度場(chǎng)云圖所示，主減速器艙內(nèi)部流入的空氣逐漸減速，流線分散在艙內(nèi)，在排氣口與開口位置截止；主減速器艙后部區(qū)域流線分布較少，速度場(chǎng)也為發(fā)生明顯變化；主減速器艙兩側(cè)出現(xiàn)明顯回流現(xiàn)象，氣流從兩側(cè)回流到主減速器艙前部；根據(jù)速場(chǎng)云圖與流線圖，主減速器殼體四周氣流循環(huán)情況基本良好，在主減速器前下端位置，流線分布稀薄，氣流流速較低。

圖2 主減速器艙流線圖與中軸截面流速云圖

通過(guò)對(duì)主減速器艙流場(chǎng)情況開展仿真分析，得到主減速器艙內(nèi)部以及主減速器艙殼體的壓力場(chǎng)變化結(jié)果云圖(見圖3)。

圖3 主減速器艙中軸截面壓力云圖與艙體表面壓力云圖

根據(jù)主減速器艙內(nèi)部與殼體壓力場(chǎng)云圖顯示，主減速器艙內(nèi)部壓力場(chǎng)隨時(shí)間變化，氣流入口處高壓區(qū)域迅速擴(kuò)散，主減速器前端迎風(fēng)位置區(qū)域持續(xù)存在局部高壓；整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，壓力場(chǎng)分布相對(duì)比較均勻，主減速器表面除去前端迎風(fēng)位置外，殼體表面不存在高壓或者低壓聚集區(qū)域；主減速器艙前部氣流流速較快，壓力場(chǎng)偏低，后部流速減慢，壓力場(chǎng)偏高；主減速器艙殼體內(nèi)表面壓力場(chǎng)與主要依據(jù)速度場(chǎng)變化而改變——?dú)饬髁魉佥^快的區(qū)域壓力較低。

2.2 主減速器艙散熱仿真結(jié)果

對(duì)主減速器艙溫度情況開展仿真分析，對(duì)主減速器艙殼體表面、內(nèi)部溫度場(chǎng)等進(jìn)行研究，得到溫度場(chǎng)變化結(jié)果云圖(見圖4)。其中主減速器艙與發(fā)動(dòng)機(jī)艙之間防火墻位置存在高溫集中分布的區(qū)域，可見該區(qū)域通風(fēng)散熱情況較差。

圖4 主減速器艙中軸截面溫度場(chǎng)云圖與艙體表面溫度場(chǎng)云圖

主減速器殼體在強(qiáng)制通風(fēng)條件下，與主減速器艙內(nèi)的流動(dòng)空氣產(chǎn)生熱交換現(xiàn)象，殼體散熱量大小隨著空氣流動(dòng)的流量流速呈正相關(guān)。仿真分析中，監(jiān)控主減速器殼體表面設(shè)置了基于面積積分的表面熱通量。隨著仿真計(jì)算收斂，流場(chǎng)與溫度場(chǎng)逐漸平穩(wěn)，主減速器表面熱通量趨于穩(wěn)定，不同位置熱通量大小分布情況趨于固化，最大與最小值范圍基本不變。得到主減速器表面熱通量分布圖(見圖5)與隨仿真計(jì)算變化曲線(見圖6)。

圖5 主減速器殼體熱通量云圖

圖6 主減速器殼體熱通量變化曲線

主減速器殼體表面的平均熱通量在1600～1630W/m2之間浮動(dòng)。主減速器散熱功率為Qs(單位kW)，主減速器殼體表面積A為26.214 m2，熱通量為H，則：Qs=HA/103。計(jì)算可知主減速器殼體散熱功率穩(wěn)定在41.94～42.73 kW之間。

主減速器最大發(fā)熱量為402.68 kW，主減速器殼體穩(wěn)定散熱功率值最小為41.94 kW，主減速器殼體散熱功率占總散熱需求功率的比值為N，則最小比值N=41.94 kW/402.68 kW×100%=10.4%，大于10%，達(dá)到主減速器艙散熱設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于數(shù)值模擬理論，針對(duì)某直升機(jī)主減速器艙通風(fēng)散熱問(wèn)題開展研究，采用CFD仿真方法，建立了基于Fluent的主減速器艙流場(chǎng)和散熱仿真模型，通過(guò)仿真計(jì)算和分析，得到了主減速器艙的流場(chǎng)形態(tài)、溫度場(chǎng)分布和表面熱通量，對(duì)比主減速器艙通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了仿真方法的可行性，為直升機(jī)主減速器艙散熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了一個(gè)有效的解決途徑。