基于FLUENT和ADAMS的環境實驗室壓力平衡窗聯合仿真分析

（中航工業中國飛機強度研究所，西安710065）

基于FLUENT和ADAMS的環境實驗室壓力平衡窗聯合仿真分析

任紅云，成竹，李喜明，李冬梅

（中航工業中國飛機強度研究所，西安710065）

目的提出針對環境實驗室發動機地面開車試驗壓力平衡系統的壓力平衡窗設計方案，研究壓力平衡窗對于室內壓力的作用情況，并驗證優化設計方案。方法基于FLUENT及ADAMS技術，通過動力學及流體力學聯合仿真分析得到不同結構作用下的流場變化情況。結果壓力平衡窗窗體結構形式決定其動力學特性，壓力平衡窗的動力學特性與其受力耦合作用影響環境實驗室壓力。結論聯合仿真模擬結果可以清晰地描述流場變化情況，合理設計壓力平衡窗可以有效地保證實驗室內壓力在規定范圍內，所設計的壓力平衡窗能夠滿足設計要求。

壓力平衡窗；聯合仿真；計算流體力學；虛擬樣機技術；動網格

發動機開車環境模擬是在室內模擬飛機發動機啟動或運行過程中遭遇的低溫、高溫、濕熱等氣候環境，在環境實驗室中須配備空氣補償系統、壓力平衡系統和廢氣排放系統。其中空氣補償系統用于為室內送入一定溫濕度和流量的新風；壓力平衡系統用于保持室內壓力平衡，保證實驗室安全；廢氣排放系統用于將發動機排出的高溫尾氣降溫、降噪后排出室外，保證室內的溫度均衡[1—8]。

在環境實驗室的發動機地面開車試驗中，發動機開車消耗空氣量較大，已知單臺發動機最大空氣消耗量可達400 kg/s，且在發動機啟動過程中，吸氣量變化范圍很大，對室內流場影響較大。如果發動機空氣補償系統啟動與發動機啟動出現不一致現象，會導致室內壓力在短時間內增大或減少，嚴重時會造成實驗室結構破壞，威脅人員、試件、設備安全。因此，實驗室壓力平衡系統是氣候環境實驗室關鍵的一個部分。

發動機補氣壓力平衡系統的主要實現方式為壓力平衡窗與發動機空氣補償系統的聯合作用。如果出現上述壓力非正常變化情況，壓力平衡窗作為安全裝置需要在室內壓力高于（低于）外界壓時力開啟，向外（向內）排氣，保證實驗室內安全。

對于壓力平衡窗，流體和窗體之前存在著相互作用：流場的氣動力以壓力的形式作用于窗體表面，壓力平衡窗受壓力與重力結合作用開啟，向室外排氣，排氣量由室內壓力及窗體開角決定，而排氣量反過來影響室內壓力，進而改變作用于窗體上的氣動力。壓力平衡窗開啟速度的變化規律等動力學特性由其表面壓力分布決定，而其運動又會改變壓力分布，因此在求解室內壓力時，必須將計算流體力學及動力學結合起來，才能得到接近真實的分析結果[9—10]。

1 壓力平衡窗設計

1.1 壓力平衡窗性能設計要求

為了保證氣候環境實驗室發動機地面開車試驗時實驗室壓力平衡，壓力平衡窗（如圖1所示）須滿足以下性能設計要求：

1）正壓平衡窗在室內壓力高于外界壓力250 Pa時開啟，向外排氣，保證實驗室內壓力不高于外界壓力500 Pa；

2）負壓平衡窗在室內壓力低于外界壓力250 Pa時開啟，向內進氣，保證實驗室內壓力不低于外界壓力500 Pa；

3）需具有加熱功能，以防止窗體位置結冰；

4）具有結露水外排措施；

圖1 壓力平衡窗結構Fig.1 Structure of the pressure balanced equipment

5）關閉狀態下，系統保溫密封效果與艙體結構保持一致；

6）設備具有可達性，檢修維護方便。

1.2 壓力平衡窗初步設計方案

壓力平衡窗采用機械驅動開啟方式，并且以電力驅動開啟方式作為應急開啟方式，采用重力閉合方式。重力及壓力的匹配設計同時盡量避免各種失效，壓力平衡窗除滿足環境實驗室的安全性要求外，還滿足保溫、密封、防結冰等細節設計要求。圖1給出了一套壓力平衡窗初步設計方案的結構，主要由三部分組成：

1）機械結構——該結構主要保證壓力平衡窗的重力壓力匹配定壓開啟功能，同時滿足強度及結構美觀等要求，如圖2所示。

圖2 壓力平衡窗機械結構Fig.2 Mechanical structure of the pressure balanced equipment

2）輔助結構——該結構主要保證壓力平衡窗保溫、防結冰等功能的實現。

3）應急結構——該結構為應急裝置，主要功能為壓力平衡窗未正常開啟時，可發出應急信號并且工作人員可以啟動應急開啟窗體模式。

1.2.1 窗體結構設計

現設置兩套正壓平衡窗和兩套負壓平衡窗，考慮到開啟初期壓力平衡窗開啟速度較慢，為保證環境室內壓力不超過限定值，經過初步計算，將壓力平衡窗窗體大小設置為4 m×5.5 m（不含轉軸部分）。根據最大風量（400 kg/s）的要求，同時為避免開啟角度過大配重執行結構產生開啟作用力，將壓力平衡窗最大開角設置為固定值35°。壓力平衡窗采用了雙層鋼板的鋼結構框架內加聚氨脂保溫材料的結構形式。

1.2.2 配重執行結構設計

壓力平衡窗采用機械式鎖緊方式，設置鎖緊配重重量保證正壓平衡窗在壓力差值（室內壓力減去外界壓力）小于250 Pa時無法開啟，負壓平衡窗在壓力差值（外界壓力減去室內壓力）小于250 Pa時無法開啟。

1.2.3 計算模型及情況初步確定

以開啟壓力閾值250 Pa及最大開角35°為設計基準，取配重中心與轉動中心在垂直方向的夾角為θ，取配重重心與轉動中心距離為窗體重心距與動中心距離一半的倍數為k，分析得知以上兩種參數會影響機構布局形式、壓力平衡窗窗體自重、配重重量及壓力平衡窗運動狀態。以不同的角度θ、倍數k進行分析計算，取較大加速度情況為計算情況，結果見表1。

表1 計算情況Table 1 Calculation conditions

2 聯合仿真分析

2.1 壓力平衡窗模型建立

2.1.1 計算流體力學模型建立

將環境實驗室及壓力平衡窗室外環境簡化為相連兩室結構，將壓力平衡窗假設為剛體。由于壓力平衡窗開啟引起流場區域的變化，每次迭代計算前都要對流場區域的網格進行重新劃分。因此采用FLUENT提供的動網格計算，使用非結構化網格技術對流場區域進行劃分。模型共有76 384個節點，430 445個網格單元。

2.1.2 動網格更新方法與UDF

動網格技術分為雜交重疊網格（CGM）和非結構動網格技術（DUT）。目前，基于有限體積法的動態網格劃分方法主要有三種模型：彈簧光順模型（Smoothing）、動態鋪層模型（Laying）和局部重構模型（Remeshing）。

彈簧光順模型根據彈性近似原理實現網格變化來適應邊界運動，網格拓撲始終不變，無須插值，可保證計算精度，但不適于模擬有較大變形的計算域。對于文中壓力平衡窗開啟角度較大的情況，須采用局部重構模型，使用插值方法在計算區域內重新生成網格，以適應計算域的變化[11]。綜上所述，采用局部重構模型與彈性光順模型來實現對網格的更新。

彈性常數取0.5，邊界節點松弛因子取1，最大網格扭曲率取0.65，尺寸重構間隔取5，最小長度取0.001 m，最大長度取0.005 m。模擬中，取時間步長為0.01 s進行400步迭代，每步迭代次數為20次，直到仿真結束。

UDF意為用戶自定義函數。它是一個在C語言基礎上擴展了FLUENT特定功能后的編程接口。借助UDF，用戶可以使用C語言編寫擴展FLUENT的程序代碼，然后動態加載到FLUNET環境中，供FLUENT使用。文中通過動力學分析得出的運動特性，然后采用UDF中DEFINE_CG_MOTION宏函數編譯壓力平衡窗的運動過程；同時通過求解器計算得出壓力平衡窗開啟過程的動態排氣量，采用UDF編譯壓力平衡窗由排氣量決定的入口壓力值。

2.1.3 邊界條件設置

文中研究的是快速升壓非定常過程，初始條件須反映實際情況。因此，流場的初始壓力指定為UDF編譯的由排氣量決定的入口壓力值，速度為0，溫度為298 K，密度和內能可由狀態方程獲得。另外，為避免方程奇異，湍流動能k和動能耗散率ε取大于0的極小值。

模型入口采用壓力入口邊界條件，初始壓力UDF編譯由排氣量決定的入口壓力值，出口采用壓力出口邊界條件，壓力為0。

2.1.4 控制方程和數值解法

室內空氣流動受自然對流和強迫對流的共同作用，采用Realizable，k-ε兩方程湍流模型來模擬環境實驗室內的空氣流動[12]。為了簡化問題，引入以下假設：室內空氣為不可壓縮流，空氣物性為常數；流動為穩態湍流；考慮重力的影響，空氣密度采用不可壓縮理想氣體模型；不考慮粘性力作用引起的能量耗散；實驗室密封良好，不考慮空氣泄露的問題。

根據以上假設，室內流體應滿足湍流連續方程、動量方程、能量方程，其通用表達式為：

式中：φ為通用變量，可以代表u，v，w，T等求解變量；Γφ為廣義擴散系數，由湍流模型決定，Sφ為廣義源項[13]。

計算軟件采用ANSYS FLUENT 13.0，壓力耦合采用SIMPLE算法，空間離散格式為2階迎風格式，時間離散格式為1階隱式。

2.1.5 動力學模型建立

動力學仿真的目的在于利用ADAMS動力學分析計算軟件來確定壓力平衡窗在任意時刻的位置、速度、加速度等[14—15]。根據設計得出的壓力平衡窗模型，基于虛擬樣機的建模特性，將模型簡化如下：將液壓合頁簡化為鉸鏈，液壓合頁與壓力平衡窗連接方式簡化為固定連接，壓力平衡窗均布受載簡化為集中載荷驅動，配重保證重心位置的前提下簡化為實體，同樣連接方式為固定連接。對需要的測量結構建立MEASURE。

2.1.6 spline函數

在壓力平衡窗的仿真過程中，對于模型驅動力的描述，涉及到調用函數。ADAMS仿真過程中，主要使用兩種函數形式，即設計時間函數和隨時間變化函數。文中采用的即為隨時間變化函數中的Spline函數，同時選擇采用Akima差值方式的AKISPL函數。該函數差值速度快，估值效果好，滿足使用要求。

2.2 聯合仿真分析

根據壓力平衡窗如圖3所示的工作流程，采用Fluent和ADAMS對其進行聯合仿真，聯合仿真流程如下：首先利用固定氣動力時的壓力平衡窗運動數據作為壓力平衡窗特性分析的初始速度設置，利用Fluent進行數值模擬計算，得到壓力平衡窗開啟過程中所受的氣動壓力及周圍的流場變化規律；再將所得到的氣動壓力耦合到動力學模型上，利用ADAMS進行考慮氣動壓力的壓力平衡窗動力學仿真分析，得到下一步的氣動分析的運動數據；再進行氣動分析，得到下一步的動力學分析和氣動數據，按照這樣的過程如此往復，直至氣動力數據保持穩定，實現Fluent和ADAMS的聯合仿真分析。流程圖如圖4所示。

取壓力為400 Pa時的壓力平衡窗角速度為初始運動數據，經過迭代計算，各情況壓力平衡窗開啟角度曲線如圖5所示，其中情況1已嚴重超出規定值，情況2，3分別為37°及36°。

圖3 壓力平衡窗工作流程Fig.3 Work flow of the pressure balanced equipment

圖4 聯合仿真流程Fig.4 Flowchart of co-simulation

圖5 各情況壓力平衡窗開啟角度曲線Fig.5 Curves of opening angle of pressure balanced equipment under different conditions

圖6 各情況壓力平衡窗開啟角速度曲線Fig.6 Curves of opening angular velocity of pressure balanced equipment under different conditions

各計算情況壓力平衡窗開啟角速度曲線如圖6所示，與角度曲線相對應，情況1角速度較小，情況2角速度最大。

各情況環境實驗室壓力曲線如圖7所示，其中情況2最大壓力為498 Pa，滿足要求，情況1最大壓力為531 Pa，情況3最大壓力為516 Pa。因情況1中壓力平衡窗開啟角度大于規定值，因此其后期壓力減小速度較其他情況快。

圖7 環境室內壓力曲線Fig.7 Curves of pressure in the test chamber

各情況壓力平衡窗受力曲線如圖8所示，結合壓力曲線及開啟角度曲線可以看出，中期壓力雖然較大，但因開啟角度較大其受力遞增減緩。由于情況1開啟角度最大，雖然其受力值最大，但遞減速度也最塊。

圖8 各情況壓力平衡窗受力曲線Fig.8 Curves of force on the pressure balanced equipment

取情況2的壓力速度變化云圖示意如下，情況2對稱面（z=0）壓力云圖如圖9所示。

圖9 情況2對稱面的壓力云圖Fig.9 Pressure contour of the plane of symmetry in condition 2

圖10 情況2的速度云圖Fig.10 Velocity contour of the plane in condition 2

情況2的速度云圖如圖10所示。初期由于室內壓力較低，壓力平衡窗受力較小，壓力平衡窗開啟速度較慢，壓力遞增較快，中期壓力平衡窗受力增加。壓力平衡窗開啟速度變快后，壓力增幅逐漸變小直至壓力達到峰值后遞減，同時由于壓力平衡窗此時開啟角度較大，雖然室內壓力值較大，其受力仍出現減小，伴隨重力力矩加大，壓力平衡窗開啟至最大角度后開始閉合，在閉合過程中，壓力出現反增現象。

在閉合過程中，室內壓力反增至壓力平衡窗速度逐漸減小為0進而速度方向反向，壓力平衡窗重新開啟，釋放壓力，但這種情況會使得壓力平衡窗開啟角度大于35°，一般出現在壓力平衡窗開啟3 s后。雖然壓力反增現象使得壓力平衡窗開啟角度超出規定范圍，但其滿足了初次壓力達到峰值后減小，且壓力峰值滿足要求，有效控制了室內壓力的增大，作為安全裝置，為空氣補償系統控制響應爭取到了充足的時間，滿足使用要求。

3 結論

1）數值模擬結果可視化程度高，信息完整，不僅可以得到不同情況的流場狀態，為分析壓力平衡窗的性能提供依據，并且可為優化結構提供參考。

2）計算的三個情況中，情況2，3可滿足設計要求。從總重量角度考慮情況3較優，然而其布局不夠合理，情況2較之情況3綜合結果較優，可以采用此設計方案。

3）配重執行機構主要作用為保證壓力平衡窗定壓開啟，配重重量的選取與開啟閾值相關。配重執行機構與窗體結構聯合作用影響壓力平衡窗運動狀態，運動狀態決定其能否滿足限制最大壓力的要求。窗體開啟角速度過快雖會短時間內滿足排氣量要求，但會造成開啟角度越大進而使其受力變小，致使開啟角速度變慢的狀況，角速度過慢則會由于排氣量過小致使室內壓力超過限制值，要合理選擇壓力平衡窗的結構形式。

4）壓力平衡窗作為一項安全裝置，主要功能應為保證環境實驗室壓力不超過規定極限值，保證實驗室安全，而實驗室壓力平衡系統中各分系統的相互作用，決定著環境實驗室內壓力情況，設計中要認真研究各分系統的相互作用。

參考文獻：

[1]唐虎，李喜明.飛機氣候試驗[J].裝備環境工程，2012，9（1）：60—65. TANG Hu，LI Xi-ming.Climatic Test of Aircraft[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（1）：60—65.

[2]DRAKE C W，Environmental Test Capabilities of the Air Force Mckinley Climatic Laboratory[C]//AIAA 23rd Aerospace Sciences Meeting.Reno，Nevada，1985.

[3]AD-A201 710，Flight Testing under Extreme Climatic Conditions[S].

[4]GJB 150.A—2009，軍用裝備實驗室環境試驗方法[S]. GJB 150.A—2009，Laboratory Environment Test Methods for Military Material[S].

[5]GJB 4239—2001，裝備環境工程通用要求[S]. GJB 4239—2001，General Requirement for Materiel Environment Engineering[S].

[6]劉海燕，馬建軍，張惠.大型氣候環境實驗室空氣處理系統方案探討[J].裝備環境工程，2014，11（5），107—65. LIU Hai-yan，MA Jian-jun，ZHANG Hui.Discussion on Design of the Air Handing System in Large Climatic Environmental Test Laboratory[J].Equipment Environmental Engineering，2014，11（5）：107—65.

[7]王浚.我國環境模擬技術現狀與發展[J].航空制造技術，2004（8）：49—52. WANG Jun.Present Status and Development of Environment Simulation Technology in China[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2004（8）：49—52.

[8]胥澤奇，張世艷，宣衛芳.裝備環境適應性評價[J].裝備環境工程，2012，9（1）：54—59. XU Ze-qi，ZHANG Shi-yan，XUAN Wei-fang.Environmental Worthiness Evaluation of Equipment[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（1）：54—59.

[9]樊小麗，劉云飛，郭然，等.軸流壓氣機轉子葉片的流固耦合分析[J].工程熱物理學報，2012，33（2）：218—221. FAN Xiao-li，LIU Yun-fei，GUO Ran，et al.The Research and Application on Coupled Fluid-Structure Simulation of Compressor Rotor[J].Journal of Engineering Thermophysics，2012，33（2）：218—221.

[10]李哲，魏志軍，張平.調節閥內流場數值模擬及動態特性分析[J].北京理工大學學報，2007，27（5）：390—394. LI Zhe，WEI Zhi-ping，ZHAGN Ping.Internal Flow Field Numerical Characteristic Study of Pressure-Regulating Valve[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology，2007，27（5）：390—394.

[11]隋洪濤，李鵬飛，馬世虎，等.精通CFD動網格工程仿真與案例實戰[M].北京：人民郵電出版社，2013. SUI Hong-tao，LI Peng-fei，MA Shi-hu，et al.Engineering Simulation and Actual Case Exercise with Dynamic Mesh[M]. Beijing：The People′s Posts and Telecommunications Press，2013.

[12]ZHAI Zhi-qiang，ZHANG Zhao.Evaluation of Various Turbulence Models in Predicting Airflow and Turbulence in Enclosed Environment by CFD：Part-1：Summary of Prevalent Turbulence Models[J].HVAC&R Research，2007，13（6）：853—870.

[13]陶文銓.數值傳熱學[M].第二版.西安：西安交通大學出版社，2001. TAO Wen-quan.Numerical Heat Transfer[M].Second Edition. Xi′an：Xi′an Jiaotong University PublishingHouse，2001

[14]鄭建榮.ADAMS—虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2001. ZHENG Jian-rong.ADAMS-Virtual Prototype Technology Introduction and Improvement[M].Beijing：China Machine Press，2001.

[15]劉小平，鄭建榮，朱治國，等.虛擬樣機及其相關技術研究和實踐[J].機械科學與技術，2003，22（S1）：235—238. LIU Xiao-ping，ZHENG Jian-rong，ZHU Zhi-guo，et al. Study and Experiment on Virtual Prototype and Its Relating Technology[J].Mechanical Science and Technology，2003，22（S1）：235—238.

Co-simulation Study of Pressure Balanced Equipment in Climatic Test Chamber Based on FLUENT and ADAMS

REN Hong-yun，CHENG Zhu，LI Xi-ming，LI Dong-mei
（AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xi′an 710065，China）

Objective To propose the design scheme of pressure balanced equipment for the pressure balanced system of engine start tests in environmental laboratory,study the effect of pressure balanced equipment on climate test chamber pressure and optimize the design solution.Methods Pressure movement of climate test chamber under different structures was obtained through co-simulation of CFD and dynamics based on FLUENT and ADAMS. Results The climate test chamber pressure was affected by dynamic characteristics of pressure balanced equipment decided by its structure and force on pressure balanced equipment.Conclusion Change in flow field was clearly described by the co-simulation results.Reasonable design solution of pressure balanced equipment could ensure the chamber pressure in a regulated range,and the design solution proposed in this paper could meet the needs.

pressure balanced equipment；co-simulation；CFD；virtual prototype；dynamic mesh

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.014

TJ81+0.1

：A

1672－9242（2016）02－0077-07

2015-11-16；

2015-11-21

Received：2015-11-16；Revised：2015-11-21

任紅云（1987—），女，陜西，碩士研究生，工程師，主要研究方向為氣候環境試驗。

Biography：REN Hong-yun（1987—），Female，from Shaanxi，Master graduate student，Engineer，Research focus：climate environment test of equipment.