航空發(fā)動(dòng)機(jī)某試驗(yàn)廠房溫度情況分析與驗(yàn)證

劉炳偉，徐雨生，劉翔宇

（中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

1 前言

（1）項(xiàng)目來源及背景。航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研試驗(yàn)存在電加熱器、燃燒加溫段、高溫管高溫閥門等高溫的部件或者系統(tǒng)，形成大量熱源，在試驗(yàn)前準(zhǔn)備、試驗(yàn)后檢查等階段，環(huán)境溫度存在過高的情況，對(duì)工作人員身體健康存在影響；并且目前部分工藝設(shè)備提出了工作溫度限制條件，如不采取環(huán)境溫度控制措施，室內(nèi)溫度極有可能超限。

（2）航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件試驗(yàn)廠房的環(huán)境溫度控制方法。環(huán)境溫度控制通過減少傳熱量和增加散熱量兩種途徑。減少傳熱主要是在熱源包覆保溫、隔熱的防護(hù)層等，減少熱量向環(huán)境內(nèi)的傳遞。增加散熱主要是通過空調(diào)設(shè)備、空氣對(duì)流等促使試驗(yàn)室環(huán)境中的熱量向外部擴(kuò)散。

（3）現(xiàn)有環(huán)境溫度控制方法亟需破解的問題。根本的問題是散熱量的提出沒有較好的方法，工程上會(huì)留有較大的余量。在此基礎(chǔ)上開展工作，設(shè)計(jì)的風(fēng)管可能占用空間尤其是高度空間、干擾設(shè)備布置，空間混亂、提高建筑造價(jià)。設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)數(shù)量較多、功率較大，維護(hù)、運(yùn)行使用成本高。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 測(cè)試方案

（1）測(cè)試簡介。對(duì)某燃燒試驗(yàn)臺(tái)的室內(nèi)溫度進(jìn)行多點(diǎn)和多時(shí)段的測(cè)量，獲得實(shí)際情況的溫度數(shù)據(jù)，編制溫度環(huán)境報(bào)告，核算室內(nèi)溫度核算的散熱功率，檢驗(yàn)室內(nèi)溫度控制手段是否有效。

（2）測(cè)量儀器和設(shè)備（如表1）。

表1 測(cè)量儀器和設(shè)備

（3）測(cè)量過程。①測(cè)量設(shè)備的安裝方案。將試驗(yàn)臺(tái)中心軸方向確定若干個(gè)截面。在每個(gè)截面半環(huán)外一定距離內(nèi)布置若干個(gè)溫度傳感器。架空安裝的探針式溫度傳感器，用于測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)周圍環(huán)境溫度；貼片式溫度傳感器，用于測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)表面溫度。②數(shù)據(jù)采集方案。本次測(cè)量采用熱電偶溫度傳感器，相關(guān)信息如表2。

表2 測(cè)量儀器及相關(guān)參數(shù)表

2.2 廠房建模

采用UG軟件建立X03燃燒試驗(yàn)臺(tái)廠房三維模型。因廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，經(jīng)與試驗(yàn)臺(tái)方共同討論，同時(shí)，結(jié)合CFD仿真計(jì)算的需求，忽略了一些對(duì)試驗(yàn)測(cè)試以及仿真計(jì)算沒有太大影響的細(xì)致結(jié)構(gòu)。

2.3 支架設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試方案，需在試驗(yàn)管道的路徑上選取3處測(cè)量截面，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的支架，用以支撐測(cè)溫傳感器。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝

試驗(yàn)前，按照測(cè)試方案將相應(yīng)支架安置在燃燒室前、燃燒室段、燃燒室后（噴水冷卻段）截面，各測(cè)溫?zé)犭娕加迷z捆綁在支架上，記錄支架以及各測(cè)點(diǎn)的空間位置。數(shù)據(jù)采集設(shè)備放置于大門外部進(jìn)行采集。傳感器安裝完成后，調(diào)試各傳感器，確認(rèn)傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通訊暢通。

2.5 試驗(yàn)測(cè)量

根據(jù)實(shí)際的燃燒試驗(yàn)任務(wù)安排，進(jìn)行實(shí)際環(huán)境溫度分布的數(shù)據(jù)采集。

2.6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

伴隨著試驗(yàn)進(jìn)程，采集了整個(gè)試驗(yàn)過程中的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化（如表3～5）。

表3 燃燒室前截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 燃燒室截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

表5 燃燒室后截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

3 CFD仿真計(jì)算

仿真計(jì)算使用ANSYSworkbench19.2版本，采用MESH模塊網(wǎng)格劃分，采用CFX模塊進(jìn)行計(jì)算。（1）模型處理。為了驗(yàn)證方法的可靠性，通過對(duì)一個(gè)有試驗(yàn)結(jié)果的模型進(jìn)行校對(duì)。完成工具有效性的復(fù)查。為簡化計(jì)算，刪除、簡化模型中不必要的細(xì)節(jié)元素等。（2）網(wǎng)格劃分。本次選用四面體網(wǎng)格，能夠滿足計(jì)算精度需求。網(wǎng)格總量約3000萬。（3）邊界條件設(shè)置。根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)方提供的空氣流量、電氣設(shè)備發(fā)熱功率以及實(shí)際測(cè)得的壁溫?cái)?shù)據(jù)等作為邊界條件。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，管路各處的壁面溫度分別如表6。項(xiàng)目冷卻風(fēng)量數(shù)據(jù)（單個(gè)進(jìn)口40000m3/h，平均溫度25℃），設(shè)置冷卻風(fēng)管進(jìn)口流速為8.4m/s，溫度25℃。現(xiàn)場(chǎng)電器設(shè)備（主要是變壓器）的發(fā)熱功率（300kW），設(shè)置模擬的熱源300kW。（4）計(jì)算結(jié)果。沿燃燒室管路中心作出剖面，查看環(huán)境內(nèi)溫度分布情況。沿管道軸向選取11個(gè)截面，查看環(huán)境溫度分布情況。整個(gè)廠房內(nèi)部環(huán)境溫度普遍在40℃以下。由于變壓器等設(shè)備的發(fā)熱功率較高（300kW），變壓器間內(nèi)溫度約為50～80℃。從計(jì)算結(jié)果整體看來，廠房內(nèi)溫度分布比較符合實(shí)際情況。環(huán)境溫度整體并未太高，廠房散熱措施起到了很好的作用。

表6 管路壁面溫度

4 數(shù)據(jù)分析

（1）數(shù)據(jù)對(duì)比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在結(jié)果文件中取得與實(shí)際測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)，計(jì)算、測(cè)試溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表7～9所示（部分?jǐn)?shù)據(jù)）。

表7 燃燒室前截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

截面測(cè)試溫度與計(jì)算值吻合性良好，因傳感器布置、連接等原因，導(dǎo)致個(gè)別點(diǎn)數(shù)據(jù)將其忽略。

表8 燃燒室截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

截面測(cè)試溫度與計(jì)算值整體較為接近，某些點(diǎn)偏差較大，可能是因?yàn)槿紵冶砻鏈y(cè)溫傳感器貼合問題。

表9 燃燒室后截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)試溫度與計(jì)算值整體較為接近。

（2）差異分析。通過對(duì)比可知，計(jì)算與實(shí)際測(cè)量值總體來說較為接近，說明仿真計(jì)算能夠較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際廠房內(nèi)的溫度分布情況。與此同時(shí)，二者的數(shù)據(jù)的差異，通過分析，可能因?yàn)椋孩俳r(shí)，忽略了廠房內(nèi)對(duì)計(jì)算結(jié)果無影響或者影響較小的結(jié)構(gòu)特征，建立的廠房模型為簡化版模型，由此可能導(dǎo)致冷卻空氣的流動(dòng)方向、流速等與計(jì)算值出現(xiàn)偏差。②實(shí)際測(cè)量的時(shí)候，可能由于設(shè)備振動(dòng)等原因，燃燒室壁面的溫度傳感器脫落，未測(cè)到實(shí)際燃燒室表面的壁溫，計(jì)算時(shí)以試驗(yàn)臺(tái)方提供的壁溫估計(jì)值作為邊界條件。③傳感器本身的精度誤差，仿真計(jì)算本身的精度誤差（影響很小）。

5 方法修正

（1）模型修正。通過對(duì)比分析，理論計(jì)算結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)存在一定差異。經(jīng)過討論分析，CFD仿真的網(wǎng)格劃分方法和求解的湍流模型均在前期經(jīng)過了驗(yàn)證，故認(rèn)為導(dǎo)致本次理論值與實(shí)際值差異較大的原因是：①模型不夠細(xì)致，未能將全部的細(xì)節(jié)特征表達(dá)完整；②計(jì)算的邊界條件不夠清晰，部分邊界無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。本次修正在原來的計(jì)算模型基礎(chǔ)上補(bǔ)充完善了平臺(tái)旁的樓梯、冷卻水管道以及加熱爐處的立柱。

（2）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分基于前章節(jié)工作，細(xì)化網(wǎng)格總量約4200萬。

（3）邊界條件設(shè)置和計(jì)算結(jié)果。規(guī)則同前章節(jié)。沿軸向選取11個(gè)截面，查看環(huán)境溫度分布情況。

（4）數(shù)據(jù)對(duì)比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，形成三組數(shù)據(jù)，如表10～12所示。

表10 燃燒室前截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

表11 燃燒室截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

表12 燃燒室后截面溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

修正后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值仍存在較小誤差，但相對(duì)于初步的仿真計(jì)算值，置信度已有了大幅度的提升，更加接近實(shí)測(cè)值。

根據(jù)上述內(nèi)容及仿真計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出工藝散熱條件的仿真計(jì)算方法（如圖1）。

圖1

6 結(jié)語

在燃燒試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)廠房內(nèi)部整體溫度較高，不適合人員工作，但滿足各儀器儀表設(shè)備等的使用需求。試驗(yàn)臺(tái)因有隔熱層的保護(hù)，加上冷卻空氣的作用，在靠近試驗(yàn)設(shè)備附近（約1.5m）的空間內(nèi)存在很高的溫度，人員不應(yīng)該再進(jìn)入此區(qū)域內(nèi)。變壓器間內(nèi)整體溫度較高，試驗(yàn)過程中人員不宜進(jìn)入，有嚴(yán)格溫度要求的儀器設(shè)備不宜布置在變壓器間內(nèi)。通過本文，可得出如下結(jié)論：

（1）本次采用的NX軟件作為建模工具，其精度滿足計(jì)算需求。（2）ANSYSMESH模塊劃分的四面體網(wǎng)格滿足計(jì)算的精度要求。（3）ANSYSCFX模塊作為CFD仿真計(jì)算求解器，能夠較為準(zhǔn)確地模擬真實(shí)的廠房內(nèi)部溫度分布情況。輸入準(zhǔn)確的前提下，仿真計(jì)算結(jié)果精確。

本次燃燒類試驗(yàn)設(shè)施測(cè)試、仿真的后續(xù)類似工作的改進(jìn)點(diǎn)：均衡考慮計(jì)算精度和計(jì)算資源成本，計(jì)算建模盡可能完整、詳細(xì)，使計(jì)算誤差減到最小。明確出風(fēng)口風(fēng)量、出風(fēng)方向等數(shù)據(jù)，盡可能地模擬真實(shí)冷卻數(shù)據(jù)。明確熱源發(fā)熱功率及空間分布，盡可能地模擬散熱表面真實(shí)外形。對(duì)關(guān)鍵部位加強(qiáng)監(jiān)控（增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量，細(xì)化局部計(jì)算網(wǎng)格）。改善廠房內(nèi)散熱措施（如增加隔熱層厚度以提高隔熱效果等），優(yōu)化廠房內(nèi)部的溫度分布情況，減少局部溫度過高的情況。