基于多孔介質模型的某型直升機防護網流場仿真

唐進城　謝永奇　劉思遠　余建祖　王先煒

摘 ? 要：針對某型直升機發動機進氣系統凸型防護網的流場，直接進行數值模擬非常復雜。因此，本文提出了一種基于多孔介質模型，分區獲取防護網多孔介質參數，然后整合計算整體流場的仿真方法。并計算了氣流速度分別為77.78m/s、41.67m/s和11m/s時防護網的流場及防護網前后的總壓壓力損失，與相應條件下的實驗數據進行對比，三種飛行速度下仿真結果相對于實驗數據的誤差分別為8.94%、7.12%和-8.72%，證明了本文仿真方法的正確性。

關鍵詞：防護網 ?分區簡化 ?多孔介質模型 ?流場仿真

中圖分類號：V244.15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（b）-0026-03

在發動機進氣系統的進氣道處安裝防護網，可以有效的防止異物進入發動機，仿真模擬可以幫助研究防護網對發動機進氣流場的影響。多孔介質模型已經廣泛應用到了工農業各個領域，在FLUENT軟件中已經開發了多孔介質計算相關的模塊[1]。浙江大學的錢錦遠[2]分析了單級和多級孔板的阻力和氣動特性，建立了單/多級孔板的數值模型，并對其單相流動和兩相流動進行了分析。李建隆等人[3]使用FLUENT，結合標準k-e模型分析了防風抑塵網開孔形式對流場的影響，結果表明圓形孔的形式最佳。許棟等人[4]對防護網揚塵庇護區湍流流場的數值邊界條件進行了研究，研究表明計算域的入流湍動強度和數值風洞的地面粗糙度對模擬結果均有較大的影響。Zhao等人[5-6]對使用多孔介質對漁網和重力籠周圍的水流流動進行了數值仿真，提出了相應的仿真方法。

在多孔介質模型應用于孔/板類結構的數值仿真方面，前人進行了大量的研究，并取得了很多有價值的成果，但主要局限于規則的網、板類結構，目前還未見到關于不規則凸型網狀結構流動特性的研究報道。本文針對某直升機發動機進氣系統的凸型防護網，提出了一種基于多孔介質模型，對凸型防護網分區，獲取個各分區多孔介質參數，然后模擬發動機防護網整體流場的方法。計算了不同氣流速度下發動機進氣系統的流場和總壓壓降，并且與中國空氣動力研究與發展中心同工況下的實驗數據進行對比。本文的方法可以為類似的不規則網狀類結構的流場模擬提供一定的參作用。

1 ?防護網化簡及仿真設置

該研究主要對象為某型直升機發動機進氣系統防護網結構，如圖1所示。該模型采用CATIA軟件建立，防護網結構中防護網絲的直徑為0.8mm，單個網眼的尺寸為4.75mm×4.75mm，模型中未建立防護網的真實結構，采用無厚度面替代。

在建模中，對某些非關鍵部位作了合理簡化，對碎面與孔洞進行修補。由于防護網的網絲及網眼尺寸很小，建模時直接對其進行網格劃分十分困難，即使采用非結構網格自動建模，成功后其計算結果準確性仍難以保證，所以該文對防護網進行分區簡化處理。即根據防護網網面與來流的方向，將迎風角度相近的網面視為具有相同幾何特征的網平面。本文將防護網分成了4°、20°、30°和82°共四種不同角度分區，防護網分區示意圖如圖2所示。

在此基礎上，認為各分區上方的氣流均勻，這樣便可使用多孔介質模型來替代各分區防護網進行流場計算。首先，使用多孔介質模型需要獲取各分區上相應的多孔介質參數，由于各分區的幾何結構以及相對來流的方向不同，所以其多孔介質參數也不同。使用文獻[7]獲取多孔介質參數的方法，擬合各個分區平面網上速度與壓降的關系，可獲取各分區的多孔介質面滲透率、壓力階躍系數和多孔介質厚度三個多孔介質參數。

發動機進氣道模型結構復雜，所以在ICEM軟件中采用四面體非結構化網格對其進行網格劃分，經過網格無關性分析后，最終網格的節點數約31.1萬，單元數約178.3萬。本文共計算了77.78m/s、41.67m/s和11m/s三種氣流速度下的防護網流場，所有工況與中國空氣動力研究與發展中心的實驗工況一致。實驗時使用空氣泵對發動機進氣道進行抽氣，故仿真時為了模擬真實的情況，在進氣道出口進行流量占比設置，以模擬抽氣的空氣流量。三種情況下抽氣的流量占比分別為0.0066，0.0110和0.0479。

2 ?控制方程

對于流場中氣流的運動，除了基本的質量、動量守恒方程外，本文還選取標準k-ε湍流模型來對湍流現象進行描述。這是一種渦粘模型，不直接處理Reynolds應力項，而是引入湍動粘度，即Boussinesq假設，建立應力相對于平均速度梯度的關系。其數學描述如式（1）和（2）：

（1）

（2）

式中，Gk為平均速度梯度引起的額外湍動能k項;Gb是由于浮力引起的湍動能k的額外項;YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻;、分別是與湍動能k和耗散率ε對應的普朗特數，Sε和Sk為自定義的源項。在標準k-ε模型中，根據實驗驗證，模型常數的取值為：G1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1，σε=1.3。這也是FLUENT軟件提供的標準k-ε模型的默認取值。

3 ?結果分析與討論

氣流速度為41.67m/s的工況時，發動機進氣道流場的總壓壓力云圖以及流線圖如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出，防護網前方的總壓壓力約為1290Pa。在進氣道內，由于防護網對氣產生了擾動作用，雖然流場壓力在進氣道軸向方向基本相同，但在徑向方向卻有明顯差別，徑向方向總壓壓力在400Pa到600Pa之間。氣流壓力在防護網前后有明顯下降，出現了“壓力階躍”現象，總壓下降了約827Pa。另外，在整流罩的后方，產生了明顯的繞流現象，氣流流速較低。總體來說，數值模擬得到的流場與實際流場情況基本一致。

本文計算的11m/s、77.78m/s及41.67m/s三種氣流速度下仿真得到的防護網前后總壓壓降，與中國空氣動力研究與發展中心同工況實驗得到壓降對比結果如表1所示。

從表1可以看出，三種工況下仿真得到的發動機進氣系統防護網壓力損失與實驗的數據吻合較好，在空氣速度為11m/s和41.67m/s時仿真結果分別比實驗結果高8.94%和7.12%，在氣流速度為77.78m/s時仿真結果比實驗結果低8.72%。這表明了本文提出的基于多孔介質模型對防護網分區化簡和綜合計算防護網流場方法的正確性。

4 ?結語

針對某型直升機發動機進氣系統防護網流場仿真的復雜性，本文提出了一種基于多孔介質模型、分區簡化的仿真方法，基于此方法模擬了與中國空氣動力研究與發展中心實驗相同工況下的防護網流場，得到不同速度工況下的防護網進氣系統整體流場與實際情況基本一致，速度為11m/s、41.67m/s以及77.78m/s時的防護網前后總壓壓力損失與實驗誤差分別為8.94%、7.12%和-8.72%，證明了本文針對防護網流場計算的數值模擬方法是有效可行的。本文針對凸型防護網流場的數值模擬方法，可以為類似的不規則網/孔類結構流場仿真提供一定的參考和借鑒。

參考文獻

[1] ANSYS FLUENT 14.0 Documentation， FLUENT Users Guide [M].ANSYS， 2013

[2] 錢錦遠.含阻系統中多孔板的流動分析及其工業應用研究[D].杭州：浙江大學.2016.

[3] 李建隆，董紀鵬，陳光輝，等.防風抑塵網開孔形式對流場的影響[J].環境工程學報，2009，3（9）：1725-1728.

[4] 許棟，張博曦，及春寧，等.防風網揚塵庇護區湍流流場模擬數值邊界條件[J].環境工程學報，2018，12（10）：2825-2832.

[5] Zhao Y P， Bi C W， Dong G H， et al. Numerical simulation of the flow around fishing plane nets using the porous media model[J]. Ocean Engineering， 2013， 62： 25-37.

[6] Zhao Y P， Bi C W， Dong G H， et al. Numerical simulation of the flow field inside and around gravity cages[J].Aquacultural engineering， 2013， 52： 1-13.

[7] 常柱宇.基于CFD的航空發動機滑油濾優化設計方法研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2014.