燃油附件耐火試驗溫度場數(shù)值模擬與驗證

盛 峰，陸 浩

（中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫214063）

0 引言

隨著對航空安全性認(rèn)識的日益深化，中國對航空發(fā)動機燃油附件提出了明確的耐火需求，取得適航證之前必須通過耐火試驗。ISO 2685等相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)均明確規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的火焰參數(shù):溫度為（1100±80）℃、熱流密度為（116±10）kW/m2。耐火試驗要求燃油附件在標(biāo)準(zhǔn)火焰環(huán)境下持續(xù)作用5 min應(yīng)保證試驗件能完成預(yù)定功能，且結(jié)束后不能出現(xiàn)火焰蔓延或續(xù)燃現(xiàn)象。

航空發(fā)動機燃油附件的耐火問題涉及流體、傳熱、材料、結(jié)構(gòu)、燃燒等多學(xué)科理論，難以通過精確的理論分析去評估試驗件的耐火性能。同時，燃油附件的結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部油路錯綜復(fù)雜，只能依靠局部的防火罩和低溫燃油進行熱防護與冷卻。因此，在著火條件下能否對燃油附件熱場分布做出準(zhǔn)確預(yù)測，對于整體的耐火設(shè)計顯得尤為重要。傳統(tǒng)試驗周期長、成本高，且受測量手段的限制，只能進行有限的單點測量，不能直觀地反映整個3維空間詳細(xì)的熱載荷分布。隨著計算機技術(shù)、傳熱學(xué)和計算流體力學(xué)的發(fā)展，對流固耦合的3維計算域開展流動傳熱數(shù)值模擬研究已成為可能。趙冬梅等[1]對渦輪葉片尾緣擾流柱通道的流動和換熱進行了數(shù)值模擬；唐梓杰等[2]基于流固耦合理論，對某小型航空二沖程風(fēng)冷發(fā)動機缸體傳熱進行了模擬計算；文超柱等[3]針對平直型翅片板翅式間冷器建立了流動換熱分析的耦合計算模型，應(yīng)用計算流體動力學(xué)方法進行了數(shù)值模擬；劉紅梅等[4]采用數(shù)值模擬方法研究了燃燒室前端不同的開孔分布規(guī)律對壁面冷卻效果的影響。但是，針對燃油附件耐火試驗開展的流動傳熱數(shù)值模擬研究仍未見文獻(xiàn)公開報道。

對耐火試驗進行數(shù)值建模，模擬真實的著火試驗環(huán)境，關(guān)鍵在于將標(biāo)準(zhǔn)火焰準(zhǔn)確地施加于試驗件。目前，耐火試驗普遍采用美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）推薦的以航空煤油為燃料的NexGen燃燒器[5-7]，航空煤油包括上百種脂肪烴和芳香烴，目前還無法對航空煤油中各種主要成分的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理進行描述[8]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對該反應(yīng)機理進行了大量的簡化研究[9-14]，但是要想精確地模擬航空煤油的燃燒過程仍受很多因素的限制，實現(xiàn)難度極大。文獻(xiàn)[15]提出了1種航空煤油燃燒機理的簡化方法，應(yīng)用于NexGen燃燒器火焰場的仿真計算，但所得出口處的火焰溫度分布并不均勻，在1400～1800 K內(nèi)變化，與燃燒器真實的工作特性溫度分布均勻，滿足（1100±80）℃需求明顯不符。

綜上所述，對燃油附件耐火試驗的燃燒場直接建模并不成熟，本文提出了1種等效火焰建模方法，并對某試驗件在著火條件下的熱場分布情況開展數(shù)值模擬研究。

圖1 試驗件結(jié)構(gòu)

1 著火試驗

試驗件由3D打印直接成形，外觀如圖1所示。從圖中可見，試驗件外觀呈不規(guī)則幾何形狀，整體包絡(luò)空間為158 mm×85 mm×49 mm，內(nèi)置簡易的冷卻通路，避免在試驗過程中出現(xiàn)燒損。試驗裝置整體布局如圖2（a）所示。從圖中可見，試驗件固定于防火板上，工作液進、出口端均接有溫度傳感器，防火板上開有直徑為50 mm的圓孔，即圖1中的紅色橢圓形區(qū)域，為火焰的入侵位置。2個熱電偶的擺放位置如圖2（b）所示。測點1置于試驗件表面，測點2嵌入試驗件內(nèi)部，用于監(jiān)測局部的溫度場數(shù)據(jù)。

試驗時首先對火焰強度進行測量，實測環(huán)境溫度為288 K，火焰溫度為1313 K，熱流密度為80 kW/m2。其次，試驗件通工作液、放氣，工作液體積流量穩(wěn)定在2.74 L/min。隨后開始點火試驗，試驗過程持續(xù)5 min，每隔1 min記錄1次數(shù)據(jù)。熱電偶溫度傳感器的測量結(jié)果見表1，進、出口工作液溫度及測點2的溫度值隨時間變化相對穩(wěn)定，測點1的溫度值則出現(xiàn)了較大波動。

圖2 著火試驗系統(tǒng)

表1 試驗數(shù)據(jù) K

2 建模方法

2.1 等效火焰

進行耐火試驗本質(zhì)上并不關(guān)注燃料的類型和燃燒方式，需要的只是1股符合規(guī)定的熱流，而熱流的強度由溫度和熱流密度進行約束。

火焰的熱流形式以輻射和對流為主，輻射熱流受燃燒產(chǎn)物的組分構(gòu)成和分布情況影響，難以精確模擬，等效火焰只以對流換熱的形式施加熱載荷。在建模過程中，假設(shè)以速度進口邊界替代火焰，那么只需要確定3個參數(shù):來流溫度T，由實際火焰溫度決定；速度V，可通過仿真與試驗的標(biāo)定得到；導(dǎo)熱系數(shù)λ，取決于火焰的物性參數(shù)，可用空氣代替。三者結(jié)合起來決定了火焰的強度。

為了模擬真實的火焰流動特征，需要對全尺寸燃燒器流道進行數(shù)值建模，得到出口處流場和熱場參數(shù)，即為等效火焰。燃燒器3維模型如圖3所示。

2.2 計算方法

整個計算域的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖4所示。環(huán)境大氣的計算域尺寸應(yīng)盡可能大，以消除邊界效應(yīng)的影響。試驗件與工作液、高溫燃?xì)夂铜h(huán)境大氣的交界面均進行網(wǎng)格加密，總網(wǎng)格量在400萬左右。

圖3 燃燒器3維模型

圖4 計算域網(wǎng)格

熱仿真需要將N-S方程與考慮熱量傳遞的能量方程聯(lián)立求解，能量方程為

對3維定常N-S方程和能量方程進行求解，對流通量采用Roe格式進行差分分裂，2階迎風(fēng)格式離散。研究中采用 k-ω SST（Shear Stress Transport）湍流模型。流體域和固體域的物性參數(shù)均定義為隨溫度的變化量。計算所采用邊界條件類型:速度和質(zhì)量流量進口邊界、壓力出口邊界、耦合壁面、無滑移絕熱壁面等。計算收斂以方程殘差下降3個數(shù)量級為準(zhǔn)則，同時保證工作液出口靜溫穩(wěn)定。

3 結(jié)果對比與分析

通過建立流固耦合的流動傳熱模型，施加等效火焰載荷，得到工作液體積流量為2.74 L/min，環(huán)境溫度為288 K，環(huán)境大氣流速為1×10-5m/s時，流體域和固體域的3維溫度場。

圖5 3維流線

計算域3維流線和YOZ截面靜溫等值線分布如圖5、6所示。從圖中可見，火焰穿過防火板上的圓孔沿Y軸正方向射出，掠過溫度較低的試驗件表面，形成熱交換，自身溫度降低，隨后與環(huán)境大氣摻混，溫度進一步降低。

圖6 YOZ截面靜溫等值線分布

YOZ截面試驗件和工作液區(qū)域的靜溫等值線分布如圖7所示。從圖中可見，試驗件最大溫度出現(xiàn)在工作液流動的死區(qū)附近，溫度值達(dá)到345 K，整體溫度控制在較低的量值，可見工作液帶走了大量的熱，有效地保護了試驗件。觀察紅色線框內(nèi)的放大圖可以發(fā)現(xiàn):在液、固交界面處，在液體域內(nèi)出現(xiàn)較大的溫度梯度，而固體導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，傳熱快，因此固體域不會出現(xiàn)該現(xiàn)象；在氣、固交界面同樣如此，所以當(dāng)試驗件與火焰直接接觸時，在氣、固交界處，火焰溫度迅速降低，試驗件表面溫度能維持在較低水平。

圖7 YOZ截面試驗件和工作液區(qū)域靜溫等值線分布

測點1所在XOZ平面的溫度等值線、局部溫度等值線和速度適量的分布如圖8所示。從圖中可見，紅色虛線框為測點1所在位置。圖8（a）給出了該區(qū)域主要的3股流動特征，具體的流動方向如圖8（b）所示:熱流1穿過試驗件上的圓孔繼續(xù)沿Y軸正方向運動，相鄰的氣體受到黏性剪切力的作用同樣沿Y軸正方向作加速運動，形成瞬間的局部真空，使得周圍大氣向此匯集填充；熱流2主要由試驗件外形所致，熱流1的部分氣流改變了運動方向，形成如圖8（a）中箭頭所示方向的1股氣流；熱流3的流動機理與熱流1的一致，周邊大氣向高溫燃?xì)夥较騾R集。測點1所在位置復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)使得溫度場分布不均，在試驗過程中稍有擾動就可能使所測溫度發(fā)生變化，這也是測點1試驗數(shù)據(jù)波動明顯的主要原因。圖8（b）給出了局部的溫度數(shù)值，總體來看溫度區(qū)間與試驗結(jié)果基本一致。

圖8 測點1所處XOZ平面內(nèi)靜溫等值線和速度矢量圖譜

試驗件的溫度計算結(jié)果如圖9所示。圖中紅色虛線框為測點2所在位置，溫度為309 K，試驗結(jié)果約為303 K，二者基本吻合。

綜上所述，針對試驗件著火試驗的數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，等效火焰基本反映了真實的火焰熱載荷，表明該建模方法合理有效。

圖9 測點2靜溫計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了1種適用于航空發(fā)動機燃油附件耐火試驗的等效火焰建模方法。在此基礎(chǔ)上對試驗件在著火條件下的熱場分布情況開展了數(shù)值模擬分析，得到試驗件穩(wěn)態(tài)溫度場的分布，同時，通過著火試驗測量局部溫度參數(shù)，與仿真結(jié)果的對比研究表明:該方法能有效地模擬火焰與試驗件間的傳熱特性，熱場結(jié)構(gòu)分布合理，且局部的溫度值與試驗結(jié)果吻合較好，具有較好的計算精度，可以為航空發(fā)動機燃油附件的耐火設(shè)計和耐火特性分析提供數(shù)值依據(jù)。