燃滑油管路的防火仿真分析方法与流程

1.本发明涉及航空发动机部件的数值模拟，具体涉及燃滑油管路的仿真。


背景技术：

2.满足防火性能要求是民用航空发动机的一项关键指标，也是航空发动机保持最低安全水平、满足适航要求的基本条件之一。为确保发动机火区内发生火情时，仍能够有效工作至安全停车，且不会进一步扩大火情，ccar33.17防火条款要求，发动机火区内的结构和部件必须达到一定的防火等级(耐火或防火)，并通过部件防火试验表明符合性。其中防火、耐火分别指零件、部件及附件在规定的工作状态下经受标准火焰(平均温度1100
±
80℃、平均热流116
±
10kw/m2)作用15分钟(防火)、5分钟(耐火)后，仍保持结构的完整性，或具有执行预期功能的能力。
3.燃滑油部件防火试验的严苛度高，成功率较低，且由于是破坏性试验，试验成本也较高。因此，国外航空飞机和发动机厂商采用先进的cfd技术、有限元结构分析技术，充分发展了基于数值模拟的部件防火虚拟仿真技术，可开展试验前的预分析，以提高试验通过率及部件供应商的筛选能力，甚至在一定程度上代替部件试验。国内民用飞机和发动机的适航取证技术刚刚起步，在燃滑油部件防火试验和分析方面研究经验不足，在部件防火性能仿真方面仍处于技术空白，燃滑油部件防火试验的数值仿真方法研究不足。
4.由于航空燃滑油管路在防/耐火试验过程中，外部受到标准火焰冲击，涉及燃烧、对流及辐射换热，管路内涉及流固传热、燃滑油介质的相变、两相流动及多组分气液间的传热传质，是一个多物理场相互耦合的复杂问题，进行流固热耦合的仿真计算非常困难，而开展燃滑油部件防火试验的数值仿真方法研究，建立试验前评估及预分析的能力，对于提高材料遴选、燃滑油部件设计与验证的能力、降低后期适航取证风险及周期具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种燃滑油管路的防火仿真分析方法，将燃滑油管路防火仿真的物理过程解耦，可准确实现燃滑油管路防火的数值模拟，给出燃滑油部件的防火性能设计优化方案。
6.所述燃滑油管路的防火仿真分析方法在仿真环境下执行以下步骤：获取火焰燃烧器以及基于该火焰燃烧器的标准火焰，将燃滑油管路置于该火焰燃烧器上方设定位置进行火焰热冲击仿真，提取燃滑油管路的温度数据；将管路受火焰冲击区域划分为控制体，通过控制体的能量守恒方程的求解，获取燃滑油管路的工质出口温度，以沸点作为判定准则，初步判定燃滑油管路内工质是否有相变发生；先计算不加火焰时的燃滑油管路内的稳态流场，获取稳态流场计算结果；在所述稳态流场计算结果的基础上，进行所述热态传热求解，包括在所述燃滑油管路上负载提取的所述温度数据，根据所述判定准则，如果燃滑油管路内没有相变风险，则只进行流固耦合传热仿真，如果燃滑油管路内发生相变，则进行流固耦合相变仿真；基于所述热态传热求解的结果，得出燃滑油管路表面的温度、工作介质的温度
分布及压力变化，依据燃滑油管路的材料的许用温度及结构的承压极限，对燃滑油管路的防耐火能力进行综合评估。
7.在火灾动态仿真软件fds中对所述标准火焰进行模拟，火焰燃烧器选用park液体燃烧器。
8.所述稳态流场计算选用fluent软件进行计算。
9.在进行所述稳态流场计算时，该燃滑油管路采用结构化网格，分为固体域和流体域，然后选择压力基求解器，打开能量方程和湍流模型，先计算不加火焰时的稳态流场，获取稳态流场计算结果。
10.如果燃滑油管路内发生相变，则开启两相流模型、相变模型和组分输运模型进行热态传热求解。
11.上述燃滑油管路的防火仿真分析方法通过对涉及燃烧、对流及辐射换热，管路内涉及流固传热、燃滑油介质的相变、两相流动及多组分气液间的传热传质的仿真计算进行多物理过程的解耦，可实现燃滑油管路的防火仿真的准确模拟，得出防火试验过程中试验件表面的温度、工作介质的温度分布及压力变化，并依据材料的许用温度及结构的承压极限，对燃滑油管路的防耐火能力进行综合评估，给出燃滑油部件的防火性能设计优化方案，以支撑燃滑油管路的防火适航取证工作，也有助于防火试验前的评估及预分析工作。
附图说明
12.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
13.图1是标准火焰仿真方法流程图。
14.图2是燃滑油相变一维分析方法流程图。
15.图3是管路传热相变仿真流程图。
16.图4是燃烧器扩张锥几何模型的侧视图。
17.图5是燃烧器扩张锥几何模型的左视图。
18.图6是燃烧器扩张锥几何模型的主视图。
19.图7是仿真计算中火焰燃烧器上方的7个测点的实时温度曲线图。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
21.对燃滑油管路的防火仿真分析前，首先进行仿真模型的选取。通过对fluent和cfx等通用cfd软件进行对比，标准火焰仿真方法选择火灾动态仿真软件fds(fire dynamics simulator)对标准火焰进行模拟。使用火灾动态仿真软件fds，在基于低马赫数的假设下，fds将质量、动量、能量守恒方程进行简化合并，最终直接求解压力泊松方程，这种求解方式，使得计算les的非稳态燃烧模拟更为高效和精确，因此火灾动态仿真软件fds适合用于对标准燃烧器的扩散燃烧火焰的仿真。
22.在火灾动态仿真软件fds中对所述标准火焰进行模拟，选择park液体燃烧器，可以提高模拟计算的精度。
23.使用仿真软件fds对整个燃烧区域划分结构化网格。一种优选的实施方式为，网格总数为200万，单个网格尺寸为0.004m*0.004m*0.004m，可以兼顾计算精度和时间效率。
24.对燃烧器末端的变形扩张锥进行几何建模。燃烧器扩张锥10的几何建模如图4至图6所示，燃烧器扩张锥10的高度为318mm，出口截面的宽度为152mm，燃烧器扩张锥10的整体长度为280mm。
25.在燃烧器扩张锥10模型的底部设置供油及通风边界，供油根据实际需求采用喷雾模型。一种实施方式为，根据iso-2685标准，燃油喷嘴喷雾角选择80
°
，公称流量为8.5l/h，采用的燃油为航空煤油c
12h23
，燃烧热值设置为42.8mj/kg，通风设置直径为64mm的圆面匀速入口，空气流速设置为5m/s。
26.在上述建模过程完成后，进行燃滑油管路的防火仿真分析方法，在仿真环境下执行如图1至图3所示步骤。如图1所示，标准火焰仿真方法首先进行步骤11获取火焰燃烧器，这一过程选择上述park液体燃烧器。随后进行步骤12获取基于该火焰燃烧器的标准火焰，由仿真软件中的标准火焰的温度切面云图可以判断火焰温度场分布符合实际火焰特征。一种验证的实施例是在火焰燃烧器上方100mm位置处均匀布置有7个热电偶，如图7所示，仿真提取的7个测点thcp01～thcp07的实时温度值均在1100
±
80℃范围区间，证明火焰温度场分布符合实际火焰特征。
27.在对火焰燃烧器的标准火焰进行核实，确定初步模拟结果的准确性后，将燃滑油管路置于该火焰燃烧器上方并设定位置，重新建模，进行步骤13火焰热冲击仿真，获得火焰温度场的分布。
28.最后进行步骤14，提取仿真软件中的燃滑油管路的温度数据，供下一步的管路传热相变仿真过程中的使用。这一步骤中，优选的一种实施方式为通过自编的温度边界数据转换工具walltemperature.exe，将提取的温度数据文本转换为fluent可读取的文件，所述fluent可读取的文件可将温度数据负载至fluent模型外壁面边界，从而提供边界条件，以进行管路传热相变仿真。
29.当标准火焰仿真结束之后进行下一模块，对燃滑油相变进行一维分析模型，初步判定管路内工质是否有相变发生。参照图2，首先进行步骤21将燃滑油管路受火焰冲击区域划分为控制体，随后输入管路入口温度、流速、管路几何条件、燃滑油物性参数、加热边界等参数进行步骤22，控制体的能量守恒方程的求解，可获取燃滑油管路的工质出口温度，如步骤23所示。
30.进行步骤24，在获取工质出口温度后以沸点作为判定准则，判断工质出口温度是否达到工质的沸点：如果工质出口温度超过工质的沸点则判定管路的工质有相变，如步骤25所示；如果工质出口温度低于工质的沸点则判定管路的工质无相变，如步骤26所示。
31.比较完毕后进行步骤27，初步判定燃滑油管路内工质是否有相变发生，从而评估管路防火风险，并为后续仿真模型选取提供依据。
32.这里以平直管为例，对上述模拟过程进行介绍。管路受热段的控制体能量守恒方程为：
[0033][0034]
式中，δt＝t
fo-t
fi
为管进出口的温差，qw为壁面热流，d和d分别为管的外径和内径，l为受热段管长，ρ和ρs分别为流体和管壁的密度，c
p
和c
ps
分别为流体和固体的比热容，vs和vf分别为控制体内管壁的体积和流体体积，δts和δtf分别为加热后控制体内固体和流体的温度增量，um为流体入口的流速。对上述能量守恒方程开展无量纲分析，则对于平直管，其管子出口最高温度可以表示为：
[0035][0036]
其中a2＝2bi·
r1·
r2/a3，
[0037]
以燃油直管为例，管长60cm，外径19.05mm，内径16.57mm，工质为航空煤油，管材为不锈钢，燃油入口流速0.05m/s，进口温度433k，代入上述参数进行步骤22控制体的能量守恒方程的求解，可计算获取燃油管路的工质出口温度为550k，高于航空煤油的沸点477k，因此，判定该工况下管内燃油发生了相变。
[0038]
在结束步骤27后，进行管路传热相变仿真。管内传热相变仿真选用fluent软件计算，由于fluent具有广泛的流动、传热及多相流的物理模型，因此能够较好地适应燃滑油管路内工质参数的剧烈变化，适合用于管路传热相变的仿真。
[0039]
在进行所述稳态流场计算时，首先进行初步设置。该燃滑油管路采用结构化网格，燃滑油管路分为固体域和流体域，选择压力基求解器，打开能量方程和湍流模型(k-epsilon rans)，先计算不加火焰时的稳态流场，获取稳态流场计算结果。考虑到计算精度和时间效率，优选的网格数目为63万。
[0040]
如图3中步骤31所示，先计算不加火焰时的燃滑油管路内的稳态流场，获取步骤32的稳态流场计算结果，并在所述稳态流场计算结果的基础上，进行步骤33热态传热求解。将图1中步骤14中的燃滑油管路的温度数据提取，并将其负载到燃滑油管路上，获取温度边界条件。随后根据图2中步骤27初步判定燃滑油管路内工质是否发生相变的结果，进行模型选择，如果初步判定结果步骤35未发生相变，则只进行步骤37流固耦合传热仿真；如果结果为步骤36发生相变，则进行步骤38流固耦合相变仿真。如果燃滑油管路内发生相变，则开启两相流模型(vof模型)、相变模型(evaporation-condensation模型)和组分输运模型(species transport模型)，进行热态传热求解，获取步骤39燃滑油管路表面的温度、工作介质的温度分布及压力变化。
[0041]
根据燃滑油管路表面的温度、工作介质的温度分布及压力变化，进行步骤40，根据燃滑油管路的材料的许用温度及结构的承压极限，对燃滑油管路的防耐火能力进行综合评估。
[0042]
基于上述燃滑油管路的防火仿真分析方法，对燃滑油管路的防耐火能力进行综合评估后，结合实体防火试验进行对比分析，最终可以给出燃滑油部件的防火性能设计优化方案，这对于提高材料遴选、燃滑油部件设计与验证的能力、降低后期适航取证风险及周期，具有重要意义。
[0043]
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

技术特征：
1.燃滑油管路的防火仿真分析方法，其特征在于，在仿真环境下执行以下步骤：获取火焰燃烧器以及基于该火焰燃烧器的标准火焰，将燃滑油管路置于该火焰燃烧器上方设定位置进行火焰热冲击仿真，提取燃滑油管路的温度数据；将管路受火焰冲击区域划分为控制体，通过控制体的能量守恒方程的求解，获取燃滑油管路的工质出口温度，以沸点作为判定准则，初步判定燃滑油管路内工质是否有相变发生；先计算不加火焰时的燃滑油管路内的稳态流场，获取稳态流场计算结果；在所述稳态流场计算结果的基础上，进行所述热态传热求解，包括：在所述燃滑油管路上负载提取的所述温度数据，根据所述判定准则，如果燃滑油管路内没有相变风险，则只进行流固耦合传热仿真，如果燃滑油管路内发生相变，则进行流固耦合相变仿真；基于所述热态传热求解的结果，得出燃滑油管路表面的温度、工作介质的温度分布及压力变化，依据燃滑油管路的材料的许用温度及结构的承压极限，对燃滑油管路的防耐火能力进行综合评估。2.如权利要求1所述的防火仿真分析方法，其特征在于，在火灾动态仿真软件fds中对所述标准火焰进行模拟，火焰燃烧器选用park液体燃烧器。3.如权利要求1所述的防火仿真分析方法，其特征在于，所述稳态流场计算选用fluent软件进行计算。4.如权利要求3所述的防火仿真分析方法，其特征在于，在进行所述稳态流场计算时，该燃滑油管路采用结构化网格，分为固体域和流体域，然后选择压力基求解器，打开能量方程和湍流模型，先计算不加火焰时的稳态流场，获取稳态流场计算结果。5.如权利要求4所述的防火仿真分析方法，其特征在于，如果燃滑油管路内发生相变，则开启两相流模型、相变模型和组分输运模型进行热态传热求解。

技术总结
燃滑油管路的防火仿真分析方法，在仿真环境下获取火焰燃烧器以及基于该火焰燃烧器的标准火焰，将燃滑油管路置于该火焰燃烧器上方设定位置进行火焰热冲击仿真，提取燃滑油管路的温度数据；将管路受火焰冲击区域划分为控制体，通过控制体的能量守恒方程的求解，获取燃滑油管路的工质出口温度，以沸点作为判定准则，初步判定燃滑油管路内工质是否有相变发生；先计算不加火焰时的燃滑油管路内的稳态流场，获取稳态流场计算结果；在稳态流场计算结果的基础上，进行所述热态传热求解。上述方法可将燃滑油管路防火仿真的物理过程解耦，以准确仿真燃滑油管路防火试验以支撑燃滑油管路的防火适航取证工作。的防火适航取证工作。的防火适航取证工作。


技术研发人员：丁芳 李松阳 崔振涛 汪凯
受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司
技术研发日：2020.11.23
技术公布日：2022/5/25