基于Flowmaster的飞机引气系统仿真计算

基于Flowmaster的飞机引气系统仿真计算

王川

珠海通用航空研发制造基地广东珠海519040

摘要：以某型飞机引气系统为研究对象，重点考察了系统中各主要元件的运行情况及节点的压力、温度等关键参数的变化规律。基于一维流体仿真技术建立了引气系统计算模型。模拟了飞机引气系统在巡航工况下的运行状态，仿真结果表明，系统及各主要元件均满足设计与控制要求。可为飞机引气系统的优化设计提供一定的理论参考。

关键词：引气系统；空气导管；系统仿真；Flowmaster

引言

空气导管系统是飞机环境控制系统的重要组成部件，导管内空气温度、压力和流量变化较大。并穿过机翼、发动机吊挂、机身等多个区域。其中引气系统作为各用气系统的供气源。可保证飞机在各种飞行条件下，制冷包(ECS)、短舱防冰、机翼防冰等用气系统正常工作[1-2]。因此高效可靠地建立导管系统的模型，并研究其中的温度、流速和压力特性，使得管道系统中的各个部件及各个节点处均满足设计要求，是现阶段研究的焦点[2-3]。同时，在导管设计的早期阶段，运用该软件可以减少导管试验时的误差，节约试验成本，缩短设计周期[3]。

1、引气系统简介

引气系统作为空气导管系统的一部分，其作用是保证飞机在各种飞行条件下。为用气系统提供空气源，从而满足各用气系统正常工作的要求。引气系统能否正常工作。直接影响到其他系统的工作状态．并最终影响到空气导管系统的整体性能[4]。

引气系统从四台发动机的压气机引气口引出高压、高温空气，通过压力调节/关断活门和限流文氏管调压限流，汇合流入机翼前缘的引气总管。压力调节/关断活门将发动机引气压力限制在一个相对稳定的范围内，限流文氏管实现对每台发动机的引气限流。处理后的空气供给空调、机翼防冰和尾翼除冰。某型飞机引气系统原理如图1所示：

图1气系统原理崩

2、计算工具介绍

Flowmaster是一款著名的热流体系统仿真商业软件，它具有高效的计算效率、精确的求解能力和便捷快速的建模方式。为了满足航空工业迅速发展的需求，Flowmaster专门开发了航空版，内置了全面的航空系统仿真部件库，以及大量的试验数据和经验数据。

Flowmaster采用的仿真方法基于流体网络节点法。该方法起源于电气网络理论，压力被模拟为电压，质量流量被模拟为电流。在复杂的流体网络系统中，称流体汇流或分流的地方为节点，称节点处的流体压力为节点压力，称与节点连接的流道为支路。Flowmaster中的部件仿真模型主要是基于质量流量——压力关系，部件各支路的质量流量被表达为所连接节点压力的线性化关系。对于多个部件组成的系统，Flowmaster的解算器利用迭代求解线性化系数矩阵的方式计算出系统的节点压力，然后根据部件的流阻特性及流量守恒的原理得到各支路的流量，进而得到流速、雷诺数、马赫数等参数。得益于齐全的部件仿真模型库、方便友好的交互界面、优异的线性化算法及强大的数据处理能力，Flowmaster在复杂流体系统的仿真领域有着巨大的优势。

对于引气系统，管道内的流体介质为空气，分析工况都为稳态工况，因此选择可压缩稳态分析模型。

3、引气系统仿真分析

3.1管路属性

导管材料为CRES321(A312TP321)不锈钢，材料密度为7900kg/m3，导热率为50W/(m·K)，管径76.2mm，厚度为0.6mm。

3.2管路部件属性

空气导管上对流体的状态起到调节作用的主要有压力调节关断阀（PRSOV），其阻力损失系数随着阀门开度的变化如图2所示：

图2阻力系数随着阀门开度的变化

3.3边界条件

本文主要考虑飞机高空巡航状态下管路的流量分配、压力和温度损失。飞行工况下的边界条件如表1所示：

表1飞行工况下的边界条件

表2仿真模型计算结果

图3引气系统仿真模型

3.4仿真建模

由于引气系统左右对称，仅在发生故障时开启交叉活门以使任意发动机的引气可以进入任意左右制冷包内。正常巡航工况交叉活门处于常闭状态，使引气系统实际处于两边相互独立的状态。所以本文只仿真了从左边两个发动机引气口至左制冷包进气口的管路。引气系统在Flowmaster中的计算模型如图2所示。

根据空气导管系统几何模型，在FLOWMASTER中建立引气系统模型，如图3所示，模型中的元器件包括Pipe(直管)、Bend(弯头)、ButterflyValve(蝶阀)、Source(流量源和压力源)、Junction(连接管道)、Proportional—integral—derivativeFeedbackController(PID控制器)、GaugeTemplate(测量仪表)、Junction—T(T型管)。

3.5计算结果

利用图3所建的空气导管引气系统整体模型进行稳态分析，根据表1设置计算参数，得到各个元件流体流动规律，计算结果如表2所示，图4-5显示了发动机引气通过、弯管、直管等元件后，飞机左边外侧发动机（1发）通往环境控制系统制冷包的节点总温、总压变化曲线。其中，横坐标表示元件的顺序排列。

由表2可知，仿真压力和理论压力误差小于2%，满足设计要求。同时通过仿真计算，可以获得阀门的开度，由表2可知，阀门的开度还有一定的余量，因此，阀门设计满足设计要求。由图4和图5可以看出。从发动机引气到制冷包，高压气体的压力在调压活门处有一个较大的变化，这是由阀门的阻力作用引起的，其余各处。压力损失在0．2bar之内，温度损失小于3℃，可见在直管段和弯管处压降和温降都较小，能够满足飞机的设计要求。

4、结论

本文首先介绍了引气系统的功能和其对下游系统的影响，在此基础上应用一维流体仿真软件Flowmaster，建立了飞机引气系统的模型，并对其进行了稳态仿真分析，研究了各主要部件及节点各参数变化规律。稳态分析结果表明在飞机巡航工况下引气系统可正常工作，满足设计要求。为空气导管系统的改进和优化设计提供了新的途径，具有较大的参考价值。

参考文献

[1]王昂，王南寿，郑作棣．琶机设计手册[M]．北京：航空工业出版社，1999．

[2]寿荣中，何慧珊．飞行器环境控制[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2004．

[3]侯学尔，夏文庆，侯l健峰．基于FLOWMASTER的飞机空调系统的仿真[J]．江苏航空．2009(4)：17-20．

[4]李革萍，康娜，施红，蒋彦龙，简夕忠.基于FLOWMASTER软件的引气系统仿真分析[J].世界科技研究与发展2011.33(4):595-599.