陳振中，賈 瑞，王璐璐，胡靖宇

(1.沈陽航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，沈陽 110136；2.中國南方航空股份有限公司 沈陽維修基地，沈陽 110000)

0 引言

輔助動力裝置(APU)是飛機(jī)上的一套獨(dú)立的小型輔助動力系統(tǒng)[1]。近年來，隨著軍民用飛機(jī)的不斷發(fā)展，對APU的可靠性等具有更高要求[2]。目前，關(guān)于發(fā)動機(jī)燃燒室的研究大多是數(shù)值分析結(jié)合實(shí)際試車或維修數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證來進(jìn)行[3-6]。常博博等人[7]采用部件法建立了某型APU數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值仿真；羅紹文等人[8]利用CFD技術(shù)對單級微型渦輪的氣動性能進(jìn)行了研究；林志勇等人[9]計算了環(huán)形回流燃燒室三維兩相噴霧燃燒流場，研究不同進(jìn)口溫度和油氣比對兩相噴霧燃燒流場的影響；崔博等人[10]使用CFD軟件建立了環(huán)形燃燒室的氣液兩相燃燒計算模型；陳振中等人[11]通過使用Fluent軟件，分析了APU排氣腔體內(nèi)部氣體溫度、流速和氣動壓力分布情況；孫科等人[12]采用湍流S-A模型對渦槳發(fā)動機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)流場仿真計算并對比試驗(yàn)結(jié)果，二者吻合度良好；張志秋等人[13]成功運(yùn)用數(shù)值仿真分析方法對低溫風(fēng)洞擴(kuò)散段進(jìn)行了耦合分析。

本文結(jié)合某民航維修基地實(shí)際維修案例，進(jìn)行某型APU故障損傷分析。實(shí)際工況中導(dǎo)致構(gòu)件疲勞損傷的因素較多，熱端部件常常是因?yàn)樘幱诟邷毓ぷ鳝h(huán)境下，強(qiáng)度下降而發(fā)生疲勞破壞，故本文主要探究熱應(yīng)力對構(gòu)件產(chǎn)生的損傷影響。

1 建模及網(wǎng)格劃分

1.1 構(gòu)建模型

本文通過UG軟件對燃燒室構(gòu)件進(jìn)行等比例三維模型構(gòu)建，建模過程中結(jié)合燃燒室實(shí)際工作環(huán)境對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化處理，燃燒室三維實(shí)體模型如圖1所示。

村里的自來水受天氣因素的影響，水質(zhì)不好，水對于傣族人民有著特殊的意義，人們對水量和水質(zhì)的要求比較高，村民們?yōu)榱吮Ｕ献约河盟姆奖闩c健康，很多人家都安裝了凈水機(jī)。

圖1 燃燒室三維實(shí)體模型

通過DM模塊在構(gòu)件三維模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建密閉平面，使用“FILL”指令在其內(nèi)部完成流場的填充，流場如圖2所示。

圖2 流場

1.2 網(wǎng)格劃分

能量方程表示流體中能量的增加率和外力對流體所作的功之和相等：

圖3 網(wǎng)格劃分模型

動量守恒定律是指某一流體微元體隨時間的變化率和該流體微元體上所受總外力相等：

圖4 網(wǎng)格正交質(zhì)量圖

2 基本物理方程

本文所研究的某型APU燃燒室的熱應(yīng)力問題，根據(jù)其正常工作狀態(tài)下的相關(guān)氣體速度、壓強(qiáng)以及溫度等參數(shù)數(shù)值，設(shè)置燃燒室流體域的邊界條件[14-18]。燃料入口設(shè)為質(zhì)量速度進(jìn)口，速度為0.08 kg/s，溫度460 K；空氣進(jìn)口邊界設(shè)定為速度進(jìn)口，速度為50 m/s，溫度為600 K；出口選用壓力出口，壓強(qiáng)為0.33 MPa；將進(jìn)氣口湍流強(qiáng)度設(shè)為 10%，湍流粘度比為 20；為兼顧計算精度和計算能力，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；選用P1傳熱模型模擬燃燒室內(nèi)部輻射傳熱；選用PDF非預(yù)混燃燒模擬湍流擴(kuò)散燃燒；采用SIMPLE算法以及二階迎風(fēng)格式求解。

2.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律是指某一時間內(nèi)流入微元體的流體質(zhì)量與構(gòu)件內(nèi)部增加的流體質(zhì)量是相同的：

其中：v是流體速度矢量；ρ是流體密度。

2.2 動量守恒方程

考慮到計算精度，網(wǎng)格劃分后采用正交品質(zhì)對網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。網(wǎng)格正交質(zhì)量圖如圖4所示，網(wǎng)格正交品質(zhì)集中分布在1附近，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以用于計算。

這種象征的易象與“道”相聯(lián)系，也具有形上性的特征。劉若愚在《中國文學(xué)理論》中認(rèn)為:“在‘形上’的標(biāo)題下，可以包括以文學(xué)為宇宙原理之顯現(xiàn)這種概念為基礎(chǔ)的各種理論”，“在形上理論中，宇宙原理通常稱為‘道'”[12](P20)。宇宙原理僅是“道”的涵義的一部分，《周易》一書多次提到了形而上的“道”，《易傳·系辭》曰：

2.3 能量守恒方程

通過“MESH”指令進(jìn)行燃燒室構(gòu)件內(nèi)部的流體區(qū)域網(wǎng)格劃分，同時進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格單元數(shù)為3309544，網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

打造農(nóng)產(chǎn)品物流平臺。在天津食品集團(tuán)的大力扶持下，搭建實(shí)體貿(mào)易鏈和網(wǎng)上貿(mào)易平臺。建設(shè)總庫容為4萬噸的平房倉庫，發(fā)展大宗農(nóng)產(chǎn)品物流。將集團(tuán)和國內(nèi)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品打入保加利亞及歐洲國家，將保加利亞及歐洲特色農(nóng)產(chǎn)品引入中國，依托京津冀協(xié)同發(fā)展的廣闊市場，積極發(fā)展中保雙邊貿(mào)易。

其中:p為壓力；ζxx、ζyx、ζzx是氣體粘性應(yīng)力分量；αx、αy、αz是流體加速度在x、y和z方向上的分量。

3 結(jié)果與討論

3.1 邊界條件設(shè)置

針對APU燃燒室的實(shí)際工況，流場仿真計算主要服從以下三個基本守恒方程，即質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程。

綜上所述，螺內(nèi)酯對神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞具有誘導(dǎo)凋亡的作用，其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)Bcl-2和Bax表達(dá)平衡有關(guān)。由于螺內(nèi)酯體外誘導(dǎo)SK-N-SH細(xì)胞凋亡的劑量比較低，提示該藥有一定的抑瘤作用，對于尋求神經(jīng)母細(xì)胞瘤更好的生物和化學(xué)療法具有潛在的價值。

3.2 仿真計算

將流場計算結(jié)果導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，根據(jù)實(shí)際工況，設(shè)置燃燒室外部環(huán)境溫度為300 ℃，對流換熱系數(shù)為20.27 W/(·°C)，得到燃燒室表面溫度分布云圖如圖5所示。結(jié)果顯示，內(nèi)環(huán)冷卻孔孔緣位置溫度最高，高達(dá)1187.87 ℃，高溫易使該位置強(qiáng)度下降，同時由于是內(nèi)環(huán)冷卻孔也容易因溫度梯度過大產(chǎn)生疲勞損傷。

國內(nèi)PBL教學(xué)模式在健康管理學(xué)教學(xué)的應(yīng)用受到一定限制：首先，在我國，健康管理作為新興學(xué)科，剛剛起步，專業(yè)人員及師資不足，雖有示范基地，但相對交流機(jī)會較少。在我國醫(yī)學(xué)院校，很難要求學(xué)生花大量時間查閱大量資料，PBL教學(xué)模式在實(shí)際教學(xué)中很難進(jìn)行應(yīng)用推廣。其次，我國醫(yī)學(xué)院一直采取傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生的自學(xué)能力不是很強(qiáng)，倘若最基本的健康管理知識、基礎(chǔ)理論掌握不夠扎實(shí)，再加上對各學(xué)科相互聯(lián)系的理論知識不融會貫通，只強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決問題的能力，那就容易造成健康狀態(tài)評估的片面化，影響全局觀。所以，單純采用PBL的教學(xué)方式，難以收到好的效果。

圖5 燃燒室溫度分布云圖

通過構(gòu)建“流-固”耦合模型，將穩(wěn)態(tài)熱分析模塊得到的溫度分布云圖導(dǎo)入到靜力分析模塊中，進(jìn)一步計算燃燒室的熱應(yīng)力和位移場分布云圖。由于在穩(wěn)態(tài)熱分析模塊中已經(jīng)知道內(nèi)環(huán)冷卻孔位置是受熱載嚴(yán)重區(qū)域，故而應(yīng)力計算以及位移場計算主要根據(jù)內(nèi)環(huán)部分進(jìn)行計算，內(nèi)環(huán)部分熱應(yīng)力分布云圖如圖6所示，內(nèi)環(huán)部分位移場云圖如圖7所示。從圖中可以看出，溫度高的位置多承受壓應(yīng)力，溫度低的位置承受著拉應(yīng)力，這是由于燃燒室上每個單元溫度不同而且相互約束不能自由熱膨脹導(dǎo)致的，從而形成熱應(yīng)力，而在熱應(yīng)力下發(fā)生位移，最終產(chǎn)生損傷裂紋。

圖6 內(nèi)環(huán)部分熱應(yīng)力分布云圖

圖7 內(nèi)環(huán)部分位移場云圖

3.3 結(jié)果對比

通過仿真計算APU燃燒室穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的溫度場和應(yīng)力場，結(jié)果表明，燃燒室內(nèi)環(huán)冷卻孔孔口邊緣部位溫度較高，通過位移場可以看出內(nèi)壁的孔邊有較為明顯的變形。送修構(gòu)件主要破損位置如圖8所示。通過對比分析結(jié)果和實(shí)際燃燒室破壞時產(chǎn)生的裂紋位置基本一致。

圖8 送修構(gòu)件主要破損位置

4 結(jié)論

本文主要利用數(shù)值分析方法，通過有限元計算軟件 ANSYS對某型APU燃燒室三維模型正常工作狀態(tài)下的溫度場、應(yīng)力場的耦合進(jìn)行了模擬分析。通過對比仿真計算結(jié)果和實(shí)際送修構(gòu)件損傷情況，發(fā)現(xiàn)燃燒室內(nèi)環(huán)冷卻孔位置在正常工作狀態(tài)下由于過高溫度梯度而導(dǎo)致高應(yīng)力狀態(tài)。孔緣極易過早萌生裂紋，縮短其使用壽命，造成性能下降乃至產(chǎn)生安全隱患。另外由于燃燒室結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，同時周身遍布各種開孔結(jié)構(gòu)，極易出現(xiàn)較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致極高的熱應(yīng)力，因此建議在發(fā)動機(jī)啟動階段，盡量緩慢、平穩(wěn)啟動以延長燃燒室使用壽命。該仿真計算結(jié)果較為符合實(shí)際工作情況，在今后的維修工作中應(yīng)該著重加強(qiáng)對易損傷部位的維護(hù)。