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1、2016年4月第42卷第4期北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril2016Vol_42No．4http：∥bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0256空氣系統(tǒng)雙腔模型的壓力動(dòng)態(tài)特性分析丁水汀1’2’3’，車巍巍3，劉傳凱4(1．北京市航空器／發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2．先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100083；3．北京航
2、空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100083；4．北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)摘要：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)突然加速或發(fā)生突發(fā)失效時(shí)，空氣系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)由容腔效應(yīng)和管道流體慣性所形成的壓力波動(dòng)將對(duì)某些空氣系統(tǒng)零部件產(chǎn)生負(fù)面影響。在經(jīng)過驗(yàn)證的模塊化瞬態(tài)空氣系統(tǒng)仿真程序的基礎(chǔ)上，分析了雙腔模型的管道不同部位和容腔的壓力變化。重點(diǎn)考慮了關(guān)鍵元件的尺寸對(duì)壓力變化的影響規(guī)律。結(jié)果表明，此瞬變過程中出現(xiàn)的壓力波動(dòng)與空氣系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)。此模型分析方法可以作為研究整機(jī)空氣系統(tǒng)瞬變過程的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：空氣系統(tǒng)；雙腔模型；壓力波動(dòng)；影響規(guī)
3、律；發(fā)動(dòng)機(jī)中圖分類號(hào)：V228．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5965(2016)04-0654-08空氣系統(tǒng)貫穿于整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，承擔(dān)著熱端部件的冷卻、密封、平衡軸向力、間隙主動(dòng)控制和除冰等作用，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)能否安全、可靠地運(yùn)行。尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生突發(fā)失效等突發(fā)情況，空氣系統(tǒng)腔室的容積效應(yīng)和管道可壓縮流體的慣性力誘發(fā)的耦合振蕩在短時(shí)間內(nèi)可能導(dǎo)致某些復(fù)雜的、繼發(fā)性的危險(xiǎn)瞬態(tài)載荷。另外，空氣系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)的瞬變特性與內(nèi)部元件的幾何偏差密切相關(guān)。此部件尺寸的差別對(duì)瞬變壓力波動(dòng)的影響也是本文需要關(guān)注的內(nèi)容。所以，對(duì)于空氣系統(tǒng)強(qiáng)瞬變過程的模擬
4、及對(duì)一些元件尺寸影響的分析，對(duì)避免航空發(fā)動(dòng)機(jī)局部突發(fā)失效等引起整機(jī)的安全性問題，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)安全設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。系統(tǒng)內(nèi)的非定常流動(dòng)，在瞬變條件發(fā)生初始會(huì)出現(xiàn)極短時(shí)間的大幅高頻振蕩特性，稱之為瞬變流，視其幅值大小、頻率高低和時(shí)間長短，分為強(qiáng)瞬變和弱瞬變2類¨?。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說，弱瞬變一般指發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)加減速過程，氣路參數(shù)的瞬變周期持續(xù)數(shù)s以上，遠(yuǎn)大于氣流擾動(dòng)在空氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的傳播時(shí)間。而對(duì)于強(qiáng)瞬變過程，如發(fā)動(dòng)機(jī)的突發(fā)失效，氣路參數(shù)往往發(fā)生劇烈振蕩，瞬變周期只有數(shù)ms到幾百ms，與氣流擾動(dòng)在空氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳播時(shí)間同等量級(jí)。此時(shí)，強(qiáng)瞬變?nèi)菀装l(fā)生，
5、在此瞬變過程中，空氣系統(tǒng)高壓力梯度的氣流擾動(dòng)將在空氣系統(tǒng)管路系統(tǒng)中傳播和反射?？諝庀到y(tǒng)強(qiáng)瞬變特性主要受容腔和管路的耦合振蕩所主導(dǎo)，并且與容腔和管路幾何參數(shù)密切相關(guān)，所以通過合適的幾何參數(shù)的選擇可以避免或削弱此強(qiáng)瞬變過程。而容腔和管道基本模型的準(zhǔn)確建立是此強(qiáng)瞬變研究的基礎(chǔ)。Dutton和Coverdill"1針對(duì)非定常、可壓縮氣體的單腔充放氣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在阻塞和未阻塞的工作條件下對(duì)比了絕熱模型和等熵模型的區(qū)別。2007年，收稿日期：2015-04_24；錄用日期：2015-09-06；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-09—1519：24網(wǎng)絡(luò)出版地址：W
6、WW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150915．1924．001．html基金項(xiàng)目：教育部長江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)安全性”(IRT0905)}通訊作者：Tel．：010*82317435E—mail：dst@buaa．edu．cn引用格式：丁水汀，車藐巍，劉傳凱．空氣系統(tǒng)雙腔模型的壓力動(dòng)態(tài)特性分析fJJ．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42似)：654-661．DINGST，CHEWW，LIUCK．Dynamicpressurecharacteristicsanalysisfordouble-
7、cavitymodelofairsystem[JJ．JournalofBe咖ngUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(4)：654-661(inChinese)．第4期丁水汀，等：空氣系統(tǒng)雙腔模型的壓力動(dòng)態(tài)特性分析655Thorncroft等H。建立了1個(gè)可以預(yù)測(cè)在充放氣過程中箱內(nèi)壓力和溫度變化的模型。模擬空氣是個(gè)多變過程。通過模型和實(shí)驗(yàn)過程相比較經(jīng)驗(yàn)確定多變指數(shù)n約為1．17。直到2009年，Calcagni和Gallarp。。建立了瞬態(tài)空氣系統(tǒng)模型。將系統(tǒng)看成是一系列腔和管道組成的。
8、分別對(duì)于管道、單腔、雙腔和DeHalle模型用流體網(wǎng)絡(luò)法建立了模型并進(jìn)行了瞬態(tài)下壓力變化的計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的很好。并分析了軸失效條件下的軸向力變化。但是，并
