基于數值分析的非通風環境下某發動機開車可行性研究

李向明，李玉芳

(中航飛機股份有限公司，陜西 西安 710089)

0 引言

在非通風環境下進行發動機開車，應盡量避免危險的發生。正常情況需要建立試車臺，有專用排風道和消音系統。對于某些有特殊情況的特殊需求，有時需要在非通風環境內短時間對發動機進行開車，當有這樣的需求時，必須對所有工作設備的安全可靠進行風險預估，以提早做好安防防護，以避免不必要的風險。

1 非通風環境下發動機開車需要研究的內容

為提出風險防護需求，需要對發動機正常工作需求和人員安全需求進行分析，并對非通風環境下發動機開車時對這些需求的影響水平進行考量，主要擬定研究內容為：環境內溫度場變化、溫度場影響范圍、氣體組分變化及噪音水平。

2 研究工具及數學模型

2.1 研究工具

研究過程中采用CATIA V5R18對研究對象進行模型搭建，流場和溫度場仿真[1]采用ICEM 14.0進行分析系統網格劃分，模型建立時應避免網格劃分漏洞[2]的出現，在計算過程中應正確劃出符合要求的貼體坐標網格[3]，用Fluent14.0及Starccm10.04.011對所需研究內容進行運算和求解，尾流場按射流處理[4]，用Tecplot360 2015R1進行數據處理和分析。

為方便研究和節約時間，建模時對發動機進行簡化，僅考慮其作為廢氣源和熱源；對非通風環境建模時，3面封閉，1面開敞；坐標系建立時選取特定點為坐標原點，以出口方向與發動機軸線平行的軸為x軸，氣流出去方向為正；與發動機對稱平面平行且與x軸垂直相交的軸為y軸，向上為正；z軸由右手坐標系確定。流場分析時，以發動機排氣管垂直對稱面和水平對稱面為監測面進行監測分析；單臺發動機時，發動機排氣管中心點坐標為(-17 155，510，185)；雙發動機時，方發動機排氣管中心點坐標為(-17 145，510，-13 500)，發動機排氣管中心點坐標為(40 000，510，13 500)。

依據上述說明，建立研究典型模型見圖1。對流體域進行網格劃分，均為結構網格，總網格數為266.075萬，網格質量均在0.8～1.0，滿足計算要求，網格劃分見圖2。

圖1 單發動機開車時的坐標分布

2.2 數學模型

計算過程中氣體按理想氣體處理。

1)理想氣體狀態方程：

PV=nRT

(1)

式中：

P、V、T、n單位分別Pa、m3、K及mol

R為摩爾氣體常數，其值為8.314 51 kg/mol/K

2)傅里葉定律：

q=-λdt/dx

(2)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

λ-導熱系數，為物性，與過程無關，單位：W/(m·K)

dt/dx為沿x方向的溫度變化率

3)牛頓冷卻公式：

q=h(tw-tf)

(3)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

h-表面傳熱系數，與過程相關，單位：W/(m·K)

tw-固體表面溫度

tf-流體溫度

4)斯特潘-波爾茲曼定律：

q=σT4

(4)

式中：

q-熱流密度，單位：J/(s·m2)或W/m2

σ斯特潘-波爾茲曼常數，其為氣體常數處于阿伏加德羅常數

T-輻射物體的熱力學溫度，單位K

5)組分占比公式：

αi=Qi/ΣQi

(5)

3 研究結果

經過分析研究，獲取典型截面流線譜見圖3，溫度隨時間的變化見圖4，溫度在不同截面上的變化見圖5，氧濃度隨時間的變化見圖6。從溫升速度看，15 min內的發動機開車是不會造成周圍人員和設備損壞的；從氧濃度變化情況看，考慮該型發動機氧流量需求為0.18～1 kg/s，40 min后可能導致發動機不能穩定工作。

圖6 氧濃度隨時間的變化

圖5 不同截面溫度分布

對于發動機工作時的噪音水平，在沒有消音設施的情況下，一般大于90 dB，在非通風的密閉區一般是不可忍受的。

圖3 典型截面流線譜 圖4 溫度隨發動機工作時間的變化

4 結語

研究結果表明：發動機尾流場的影響范圍為：在以發動機排氣管出口為中心往后長度為48 m的1 m直徑圓柱范圍；考慮到溫升速度和氧濃度降低的影響以及發動機開車時噪音的影響，在沒有消音設施且非通風條件下進行發動機開車是較危險的，時間不允許超過15 min；在進行過發動機開車后，最好將所有用于換氣的設施打開，以盡快對廢氣進行排除。