基于數(shù)值分析的非通風(fēng)環(huán)境下某發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車可行性研究

李向明，李玉芳

(中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710089)

0 引言

在非通風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車，應(yīng)盡量避免危險(xiǎn)的發(fā)生。正常情況需要建立試車臺(tái)，有專用排風(fēng)道和消音系統(tǒng)。對(duì)于某些有特殊情況的特殊需求，有時(shí)需要在非通風(fēng)環(huán)境內(nèi)短時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行開(kāi)車，當(dāng)有這樣的需求時(shí)，必須對(duì)所有工作設(shè)備的安全可靠進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估，以提早做好安防防護(hù)，以避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

1 非通風(fēng)環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車需要研究的內(nèi)容

為提出風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)需求，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作需求和人員安全需求進(jìn)行分析，并對(duì)非通風(fēng)環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車時(shí)對(duì)這些需求的影響水平進(jìn)行考量，主要擬定研究?jī)?nèi)容為：環(huán)境內(nèi)溫度場(chǎng)變化、溫度場(chǎng)影響范圍、氣體組分變化及噪音水平。

2 研究工具及數(shù)學(xué)模型

2.1 研究工具

研究過(guò)程中采用CATIA V5R18對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行模型搭建，流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真[1]采用ICEM 14.0進(jìn)行分析系統(tǒng)網(wǎng)格劃分，模型建立時(shí)應(yīng)避免網(wǎng)格劃分漏洞[2]的出現(xiàn)，在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)正確劃出符合要求的貼體坐標(biāo)網(wǎng)格[3]，用Fluent14.0及Starccm10.04.011對(duì)所需研究?jī)?nèi)容進(jìn)行運(yùn)算和求解，尾流場(chǎng)按射流處理[4]，用Tecplot360 2015R1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

為方便研究和節(jié)約時(shí)間，建模時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅考慮其作為廢氣源和熱源；對(duì)非通風(fēng)環(huán)境建模時(shí)，3面封閉，1面開(kāi)敞；坐標(biāo)系建立時(shí)選取特定點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以出口方向與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線平行的軸為x軸，氣流出去方向?yàn)檎慌c發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)稱平面平行且與x軸垂直相交的軸為y軸，向上為正；z軸由右手坐標(biāo)系確定。流場(chǎng)分析時(shí)，以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管垂直對(duì)稱面和水平對(duì)稱面為監(jiān)測(cè)面進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析；單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中心點(diǎn)坐標(biāo)為(-17 155，510，185)；雙發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，方發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中心點(diǎn)坐標(biāo)為(-17 145，510，-13 500)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中心點(diǎn)坐標(biāo)為(40 000，510，13 500)。

依據(jù)上述說(shuō)明，建立研究典型模型見(jiàn)圖1。對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為266.075萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.8～1.0，滿足計(jì)算要求，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖1 單發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車時(shí)的坐標(biāo)分布

2.2 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算過(guò)程中氣體按理想氣體處理。

1)理想氣體狀態(tài)方程：

PV=nRT

(1)

式中：

P、V、T、n單位分別Pa、m3、K及mol

R為摩爾氣體常數(shù)，其值為8.314 51 kg/mol/K

2)傅里葉定律：

q=-λdt/dx

(2)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

λ-導(dǎo)熱系數(shù)，為物性，與過(guò)程無(wú)關(guān)，單位：W/(m·K)

dt/dx為沿x方向的溫度變化率

3)牛頓冷卻公式：

q=h(tw-tf)

(3)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

h-表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，與過(guò)程相關(guān)，單位：W/(m·K)

tw-固體表面溫度

tf-流體溫度

4)斯特潘-波爾茲曼定律：

q=σT4

(4)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

σ斯特潘-波爾茲曼常數(shù)，其為氣體常數(shù)處于阿伏加德羅常數(shù)

T-輻射物體的熱力學(xué)溫度，單位K

5)組分占比公式：

αi=Qi/ΣQi

(5)

3 研究結(jié)果

經(jīng)過(guò)分析研究，獲取典型截面流線譜見(jiàn)圖3，溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4，溫度在不同截面上的變化見(jiàn)圖5，氧濃度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。從溫升速度看，15 min內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車是不會(huì)造成周圍人員和設(shè)備損壞的；從氧濃度變化情況看，考慮該型發(fā)動(dòng)機(jī)氧流量需求為0.18～1 kg/s，40 min后可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定工作。

圖6 氧濃度隨時(shí)間的變化

圖5 不同截面溫度分布

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的噪音水平，在沒(méi)有消音設(shè)施的情況下，一般大于90 dB，在非通風(fēng)的密閉區(qū)一般是不可忍受的。

圖3 典型截面流線譜 圖4 溫度隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的變化

4 結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)尾流場(chǎng)的影響范圍為：在以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管出口為中心往后長(zhǎng)度為48 m的1 m直徑圓柱范圍；考慮到溫升速度和氧濃度降低的影響以及發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車時(shí)噪音的影響，在沒(méi)有消音設(shè)施且非通風(fēng)條件下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車是較危險(xiǎn)的，時(shí)間不允許超過(guò)15 min；在進(jìn)行過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車后，最好將所有用于換氣的設(shè)施打開(kāi)，以盡快對(duì)廢氣進(jìn)行排除。