賈志強(qiáng)， 趙知辛*， 張昌明， 郭 輝， 雍虎軍

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.中航飛機(jī)股份有限公司 長沙起落架分公司， 陜西 漢中 723000)

起落架緩沖器的主要作用是有效吸收和耗散飛機(jī)著陸和滑行過程中因振動(dòng)沖擊產(chǎn)生的能量。油氣緩沖器因具有較高的能量吸收效率而被現(xiàn)代飛機(jī)起落架廣泛采用，其設(shè)計(jì)對起落架的緩沖性能起重要作用[1-2]。在緩沖器性能研究中，M.Bharath等[2]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法研究了油氣緩沖器孔板與腔室的幾何形狀參數(shù)對緩沖器性能的影響，Jiao Fu-jun[3]利用FLUENT模擬了油液在阻尼孔內(nèi)的動(dòng)態(tài)流動(dòng)過程，并結(jié)合理論計(jì)算方法對緩沖器阻尼能量損失進(jìn)行了分析。Shu Ning等[4]對試驗(yàn)緩沖器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了溫度對起落架緩沖器阻尼特性的影響。Mahammad Ayaz Ahmad等[5]提出了一種起落架油氣緩沖器的綜合設(shè)計(jì)方法，研究了空氣彈簧力和阻尼力隨行程的變化規(guī)律。以上研究大多以油液單相流動(dòng)為基礎(chǔ)對起落架油氣緩沖器阻尼特性進(jìn)行研究，較少考慮緩沖器運(yùn)動(dòng)過程中內(nèi)部油氣兩相流動(dòng)機(jī)理對阻尼特性的影響。

起落架油氣緩沖器與車輛油氣懸架原理類似，一些學(xué)者以油氣兩相流數(shù)值模擬為基礎(chǔ)對車輛懸架緩沖性能進(jìn)行了研究。張沙等[6]利用FLUENT建立某型自卸車油氣懸架的氣液兩相流模型，模擬了懸架拉伸和壓縮過程中其內(nèi)部瞬態(tài)流場特性。鄧佩瑤[7]考慮到氮?dú)庠谟鸵褐械娜芙庑?yīng)，通過UDF在流體連續(xù)性方程中加入源項(xiàng)的方法對CLSVOF(coupled level set and volume-of-fluid)方法進(jìn)行改進(jìn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)CLSVOF方法的準(zhǔn)確性與有效性。Wu Wen-guang等[8]利用CFD方法并結(jié)合VOF方法對油氣懸架內(nèi)部油氣兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了瞬態(tài)油氣兩相流流動(dòng)特性，確定油氣懸架阻尼力和剛度力，同時(shí)分析了溫度、油液粘度、氮?dú)馊芙舛?、懸架振?dòng)速度等因素對油氣懸架非線性動(dòng)力學(xué)特性的影響。以上關(guān)于車輛油氣懸架內(nèi)部油氣兩相流動(dòng)的相關(guān)研究驗(yàn)證了以油氣兩相流數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的緩沖性能研究的可行性與優(yōu)勢。

本文利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合UDF方法處理計(jì)算域邊界運(yùn)動(dòng)與網(wǎng)格變形問題，利用CLSVOF方法捕捉氣液兩相運(yùn)動(dòng)界面，采用Peng-Robinson真實(shí)氣體模型模擬氣相(氮?dú)?行為，對緩沖器內(nèi)部油氣兩相流動(dòng)進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬，并以此為基礎(chǔ)對緩沖器阻尼特性進(jìn)行研究。

1 緩沖器動(dòng)力學(xué)特性

1.1 油氣緩沖器結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為某型飛機(jī)起落架油氣緩沖器結(jié)構(gòu)示意圖，某工況下緩沖器的行程速度曲線如圖2所示，在緩沖器運(yùn)動(dòng)過程中，活塞桿相對外筒上下運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為衰減的振蕩運(yùn)動(dòng)。

圖1 油氣緩沖器示意圖 圖2 緩沖器行程速度時(shí)間曲線

1.2 氣體的狀態(tài)方程

在對緩沖器內(nèi)部氣液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需要選用合適的氣體模型模擬氮?dú)庑袨?，對于理想氣體定律，因沒有考慮氣體分子間的相互作用，預(yù)測氣體狀態(tài)的準(zhǔn)確性隨著氣體壓力的升高而降低。在實(shí)際工況下，因活塞壓縮，氮?dú)鈮毫蜏囟葧×易兓褂谜鎸?shí)氣體模型能更好地模擬氮?dú)鉅顟B(tài)變化[9]，數(shù)值模擬中采用Peng-Robinson真實(shí)氣體模型，其方程為

(1)

其中p為壓力，α(T)為溫度相關(guān)的空間因子，V為氮?dú)怏w積，r為比氣體常數(shù)，T為溫度，a、b為常數(shù)。

1.3 阻尼力計(jì)算

緩沖器工作過程中，油液通過主油孔與回油孔時(shí)都會產(chǎn)生阻尼力，阻尼力的工程計(jì)算公式[10]為

(2)

其中Fh為整個(gè)緩沖過程中的總阻尼力，ρoil為油液密度，Am為緩沖器主油腔壓油面積，Ar為緩沖器回油腔壓油面積，Aom為主油孔面積，Aor為回油孔面積，Cdm為主油孔流量系數(shù)，Cdr為回油孔流量系數(shù)，n為回油孔數(shù)目，v為緩沖器活塞桿運(yùn)動(dòng)速度。

緩沖器壓縮過程中油液高速流經(jīng)主油孔與回油孔時(shí)會產(chǎn)生阻尼力，本文通過對緩沖器內(nèi)部油氣兩相流數(shù)值模擬得到流場壓力，進(jìn)而由油孔兩側(cè)的壓力差計(jì)算得到阻尼力，具體可由下式確定[11]：

Fh=Fhm+Fhr=Δpon·Ao+Δpnr·Ar=(po-pn)·Ao+(pn-pr)·Ar，

(3)

其中Fh為總阻尼力，F(xiàn)hm為主油孔阻尼力，F(xiàn)hr為回油阻尼力，Ao為主油腔內(nèi)徑面積，Ar為回油腔內(nèi)徑面積，po為主油腔壓力，pn為氮?dú)馇粔毫?，pr為回油腔壓力。

為了對工程計(jì)算方法與數(shù)值計(jì)算方法得到的阻尼力計(jì)算結(jié)果作對比分析，根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊中流量系數(shù)的估算方法，在工程計(jì)算中給定主油孔流量系數(shù)為0.695，緩沖器壓縮與拉伸過程回油孔流量系數(shù)分別為0.652與0.694[10]，結(jié)合式(2)可得到定流量系數(shù)下油液阻尼力的工程計(jì)算結(jié)果。

2 緩沖器氣液兩相流數(shù)值模擬

2.1 模型設(shè)計(jì)與網(wǎng)格劃分

(a)計(jì)算域整體網(wǎng)格 (b)主油孔區(qū)域網(wǎng)格 圖3 緩沖器計(jì)算域網(wǎng)格模型

考慮到緩沖器結(jié)構(gòu)的對稱性，取其內(nèi)部流體域中間對稱面作為計(jì)算域，圖3(a)為利用ICEM CFD對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到的網(wǎng)格模型?？紤]到主油孔與回油孔區(qū)域流場較為復(fù)雜，故對此區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化處理，圖3(b)為主油孔區(qū)域網(wǎng)格局部放大圖。油孔區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約75萬。

2.2 流體控制方程

本文基于有限體積方法對流體控制方程進(jìn)行求解，描述流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量、動(dòng)量與能量守恒方程可以表示為如下通用形式[12]：

(4)

其中ρ為密度，U為速度矢量，φ為通用變量，可以代表U、T等求解變量，Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)，Sφ為廣義源項(xiàng)。

2.3 計(jì)算設(shè)置

為了對緩沖器內(nèi)部瞬態(tài)油氣兩相流動(dòng)過程進(jìn)行較精確模擬，本文采用CLSVOF方法對油氣兩相界面進(jìn)行捕捉。CLSVOF方法可以更準(zhǔn)確計(jì)算氣液兩相界面法向量與曲率并能實(shí)現(xiàn)體積和質(zhì)量守恒[13]，在復(fù)雜氣液兩相流的準(zhǔn)確計(jì)算方面有顯著優(yōu)勢。

緩沖器在壓縮過程中氮?dú)馇慌c主油腔體積會相應(yīng)改變，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合UDF方法處理計(jì)算域邊界運(yùn)動(dòng)與網(wǎng)格變形問題。動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算方法選用彈性光順法與局部網(wǎng)格重劃法以保證在變形與運(yùn)動(dòng)過程中網(wǎng)格的質(zhì)量。

利用FLUENT對緩沖器內(nèi)部瞬態(tài)油氣兩相流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，表1為CLSVOF方法參數(shù)設(shè)置，表2為瞬態(tài)計(jì)算參數(shù)設(shè)置。

表1 CLSVOF方法參數(shù)設(shè)置

表2 瞬態(tài)計(jì)算參數(shù)設(shè)置

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖4為緩沖器運(yùn)動(dòng)過程中對應(yīng)0.12、0.25、0.35、0.44、0.65、0.95 s這6個(gè)時(shí)刻油液體積分?jǐn)?shù)云圖，由于計(jì)算結(jié)果云圖的對稱性，故文中只顯示了對稱區(qū)域云圖。圖4(a)為緩沖器處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)油氣兩相分布圖，紅色區(qū)域(下方)為油液，藍(lán)色區(qū)域(上方)為氮?dú)?，綠色區(qū)域?yàn)閮上嘟缑妗＞彌_器壓縮過程對應(yīng)時(shí)間歷程為0.12～0.44 s，運(yùn)動(dòng)速度在短時(shí)間內(nèi)有較大變化，密閉空間中氮?dú)獗患眲嚎s，主油腔壓力增大使得油液從阻尼孔中流出與氮?dú)饣旌稀＞C合觀察圖4(b)、(c)、(d)，可以看到油液從阻尼孔噴射出去后與氮?dú)馇簧媳诿娼佑|碰撞，并在重力作用下從上壁面散落下來，油氣兩相相互夾帶運(yùn)動(dòng)，部分氮?dú)饨?jīng)回油孔進(jìn)入回油腔油液中。隨著緩沖器進(jìn)一步壓縮，氮?dú)馇恢型牧髁鲌隼^續(xù)發(fā)展，在油液粘性力、表面張力、重力的共同作用下，油液大量附著在氮?dú)馇槐诿娌⒀刂诿嫦蛳逻\(yùn)動(dòng)，而氮?dú)馇恢虚g區(qū)域出現(xiàn)氮?dú)饪斩础?.45～0.95 s時(shí)間段對應(yīng)緩沖器拉伸過程，此過程活塞桿反向運(yùn)動(dòng)速度相對較小，使得回流油液的流量較小，從圖4(e)、(f)中可以看到油液在氮?dú)馇幌虏繀^(qū)域聚集的現(xiàn)象。

(a)0.12 s (b)0.25 s (c)0.35 s (d)0.44 s (e)0.65 s (f)0.95 s圖4 油液體積分?jǐn)?shù)云圖

時(shí)間歷程中0.44 s與0.95 s分別對應(yīng)著活塞壓縮過程的結(jié)束時(shí)刻和拉伸過程的結(jié)束時(shí)刻，圖5為0.44 s與0.95 s時(shí)緩沖器氮?dú)馇粎^(qū)域溫度場云圖。從圖中可以看到，在緩沖器運(yùn)動(dòng)過程中，氮?dú)獗怀掷m(xù)壓縮，在壓縮過程結(jié)束時(shí)氮?dú)饧袇^(qū)域溫度較高，而油液集中區(qū)域溫度較小。隨著氮?dú)馀c油液之間流動(dòng)傳熱過程的進(jìn)行，當(dāng)拉伸過程結(jié)束時(shí)，流場溫度有較大下降，并趨向均勻分布狀態(tài)。

(a)0.44 s (b)0.95 s圖5 溫度場云圖

3 阻尼特性分析

圖6 油液阻尼力-時(shí)間曲線

圖7 油液阻尼能量損失-時(shí)間曲線

采用工程計(jì)算方法(公式(2))和基于流場壓力數(shù)值計(jì)算(公式(3))得到的油液阻尼力隨時(shí)間變化曲線計(jì)算結(jié)果如圖6所示，可以看到，工程計(jì)算與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對應(yīng)曲線變化趨勢基本一致，但在局部存在差異。工程計(jì)算得到的阻尼力峰值最大值為1.38×106N，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果油液阻尼力最大值為1.01×106N，即前者大于后者；通過數(shù)值模擬獲得的阻尼力峰值對應(yīng)的時(shí)刻滯后于工程計(jì)算結(jié)果峰值，即存在一定的遲滯性。

相關(guān)研究[14]表明隨著緩沖器活塞桿運(yùn)動(dòng)速度劇烈增大，腔內(nèi)壓力大幅上升，油液之間的相互作用力增大，在活塞壓縮階段，油液來不及通過主油孔而被擠壓，出現(xiàn)阻塞流現(xiàn)象，所以阻尼力會有遲滯性。對于緩沖器拉伸過程，因活塞桿運(yùn)動(dòng)速度相對較小，且流場壓力相對于壓縮過程有較大程度的減小，故阻尼力的工程計(jì)算結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果曲線之間差別很小。

緩沖器在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，油液流經(jīng)主油孔與回油孔會產(chǎn)生油液阻尼能量損失。對油液阻尼力在緩沖器位移上進(jìn)行積分，可以得到能量損失變化值[4]，圖7為油液阻尼能量損失隨時(shí)間變化曲線。可以看到在緩沖器壓縮過程中，油液流經(jīng)主油孔與回油孔產(chǎn)生較大的能量損失，最大值為27 561 J；對于拉伸過程，阻尼力與緩沖器運(yùn)動(dòng)位移相對較小，故遠(yuǎn)低于壓縮過程油液阻尼能量損失值，最大值為584 J，且曲線較為平緩。

4 結(jié)論

本文對起落架油氣緩沖器內(nèi)部瞬態(tài)油氣兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，并以此為基礎(chǔ)對緩沖器阻尼特性進(jìn)行了研究，綜合本文分析可得到如下結(jié)論：

(1)緩沖器運(yùn)動(dòng)過程中，油液以湍射流形式從主油孔流出，并與氮?dú)馇簧媳诿媾鲎?，出現(xiàn)了油氣兩相混合，附壁流動(dòng)等復(fù)雜現(xiàn)象，并涉及復(fù)雜的油氣兩相流動(dòng)傳熱過程。

(2)基于流場分析計(jì)算得到的油液阻尼力峰值低于定流量系數(shù)時(shí)的工程計(jì)算結(jié)果，且具有一定的遲滯性；緩沖器壓縮過程產(chǎn)生較大油液阻尼能量損失，最大值為27 561 J，拉伸過程油液阻尼能量損失值相對較小。