黎明中,滕 叶,王 乐,杨士权

(中航通飞研究院有限公司 第五研究室，广东 珠海 519040)



基于Fluent的某型民机放油两相流仿真

黎明中,滕 叶,王 乐,杨士权

(中航通飞研究院有限公司 第五研究室，广东 珠海 519040)

为了使某型民机应急放油系统的设计满足适航条例要求，同时使放出的燃油在空中完成雾化，避免对地面造成污染，提出了一种将放油口布置于翼梢后缘的方案,并通过放油流场数值仿真验证了该方案。考虑到螺旋桨滑流对流场的影响，在旋转域使用了滑移网格技术。在模拟燃油液滴运动和油雾生成及扩散时，运用了Fluent软件中的多相流离散相模型(DPM)，考虑颗粒湍流扩散影响应用了随机轨道模型。在对放油流场影响较小的因素进行简化后，对两种巡航姿态下的应急放油流场进行仿真。对计算结果的分析表明该放油口设计方案能满足设计要求。

应急放油；滑移网格；离散相模型；随机轨道模型；数值仿真

大型运输类飞机由于航程的需要，载油量通常为几十甚至上百吨，考虑到燃油消耗导致的重量减轻，通常大型飞机的最大着陆重量设计得比最大起飞重量小很多。因此，如果在起飞过程中或在起飞后不久发生严重失效，大型飞机为了迅速减轻自身重量，进而安全着陆(着水)，通常会设有空中应急放油系统，它是保证飞机安全的重要措施。

根据运输类飞机适航标准关于应急放油系统的描述，应急放油系统的设计在进行相应的飞行试验时，必须能表明：(1)应急放油系统及其使用无着火危险；(2)放出的燃油应避开飞机的各个部分；(3)燃油和油气不会进入飞机的任何部位；(4)应急放油对飞行操纵没有不利影响[1]。飞机应急放油时放出的燃油会对环境造成较大的污染，为了避免对地面造成影响，应使放出的燃油在空中完成雾化的过程。为了使应急放油系统的设计能满足上述要求，放油口的布置方式至关重要。应急放油系统的设计方案需要有数值仿真或试验模拟来进行验证。试验模拟将耗费大量的人力、物力，同时放出的燃油对环境也造成比较大的污染。相比之下，数值仿真的方法可以以更低的成本达到验证设计的目的。

1 应急放油系统原理

飞机应急放油系统的功能是：飞机在飞行过程中，按规定要求，在给定时间内，释放一定数量的燃油，以迅速减轻自身重量，达到安全着陆、爬升的目的[2]。某型民机应急放油系统右侧原理图如图1所示，左侧与右侧完全对称。

图1 应急放油系统原理图

应急放油系统由下列各部分组成：应急放油泵、应急放油开关和应急放油管路。左右两个应急放油出口位于每一机翼的后缘，如图2所示。这种设置与传统的翼下安装发动机的设计相匹配，并且由于采用了两个对称的放油口，在整个放油过程中，飞机将保持良好的横向平衡[3]，从而使应急放油对飞行操纵没有不利影响。

图2 应急放油口位置示意图

2 计算模型

飞机应急放油时，燃油以一定的速度从放油口喷出，由于惯性，油柱保持高速运动，在大气摩擦力和自身重力的共同作用下，迅速发生形变破碎成油滴，大的油滴进一步碎裂成小油滴，进而形成油雾完成雾化，这是一个气液两相流的过程[4-5]。

目前有两种数值计算的方法处理两相流：欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法。欧拉-欧拉方法将含有燃油液滴的空气流动看作是气液两相流，将不同的相处理成互相贯穿的连续介质，各相的体积率是时间和空间的连续函数，其体积率之和等于1，建立起控制方程，并求解液滴轨迹。欧拉-拉格朗日方法则将液滴在空气中的运动看作单向流，将流体相处理为连续相，计算空气流场然后建立液滴的运动方程来跟踪液滴的轨迹。Fluent软件中的离散相模型(DPM)本质是欧拉-拉格朗日方法。随机轨道模型或颗粒群模型可考虑湍流对颗粒扩散的影响；在随机轨道模型中，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；而颗粒群模型则是跟踪由统计平均结果决定的一个“平均”轨道，颗粒群中的颗粒浓度分布假设服从高斯概率分布函数[6]。两种模型中，颗粒对连续相湍流的生成与耗散均没有直接影响。

本文在进行应急放油流场计算时采用Fluent软件，湍流模型选用k-ε模型，数值差分格式选取中心差分，近壁面流动通过自适应壁面函数模拟[7-9]，在进行燃油液滴轨迹模拟时应用DPM模型，考虑到湍流对燃油油雾形成和扩散的影响，使用了随机轨道模型。

另外，由于放油口处于螺旋桨旋转平面下游方向，考虑到螺旋桨滑流对放油流场的影响，本文采用滑移网格技术对螺旋桨的旋转运动进行模拟，以获得更为真实的流场，本文中滑移网格的旋转域如图3所示[10-13]。

图3 滑移网格的旋转域

3 计算分析

数值计算的收敛速度除了与模型选择、边界条件设置等有关外，还与网格模型的网格数量有着密不可分的关系，网格数量越大，收敛越慢，网格数量过小又会影响计算结果的精度。因此，在计算过程中，需进行网格独立性分析，将对流场影响较小的因素简化后，确定正式计算使用的网格模型[14]。

3.1 初步计算分析

对飞机处于飞行高度3 km，飞行迎角1.5°，飞行速度480 km/h的巡航状态的外流场进行了初步计算。边界条件设置如表1所示，螺旋桨滑流流线如图4所示。

表1 边界条件设置

从螺旋桨滑流流线分析，由于飞机是对称的，左右对称位置的螺旋桨滑流流线是相似的，可以简化为只计算飞机对称面一侧的放油流场。同时，放油口位于外发螺旋桨和浮筒之间，从图4分析，可以认为内发螺旋桨滑流对应急放油流场不产生影响。

图4 螺旋桨滑流流线

考虑到飞机内侧螺旋桨滑流对布置于外侧放油口不存在明显影响，以及浮筒与放油口在翼展方向相距较远，其尾流对油雾扩散的影响亦可忽略。对模型做进一步的简化，最终简化后的物理模型及计算域如图5所示。计算网格采用混合网格，对于速度和压力梯度大的区域进行了局部加密，放油口附近的表面网格如图6所示。

图5 简化后模型及计算域边界设置

图6 放油口附近网格

3.2 正式计算分析

在Fluent中导入了正式计算网格，在设置了计算模型及边界条件的基础上进行计算。本文选取2种巡航姿态的工况如表2所示。

表2 计算工况

工况1条件下，螺旋桨滑流及放油口尾流流线如图7所示，可以明显看到，放油过程受到外侧螺旋桨滑流的影响。在放油口附近形成回流，如图8所示，该现象产生的原因是：放油管凸出机翼表面布置，螺旋桨滑流在放油管下游形成漩涡，与机翼尾流相互作用，在放油口附近形成逆压梯度(如图9所示)。

图7 螺旋桨滑流及放油口尾流流线(m/s)

图8 放油口流线(m/s)

图9 放油口压力分布

图10显示的是燃油颗粒直径分布，显示了燃油破碎、雾化和扩散过程。在重力作用下，破碎的燃油颗粒呈下坠趋势，在放油口附近燃油颗粒直径便下降到10-5～10-6m，完成雾化，颗粒轨迹表明放出的燃油很好地避开了飞机的各个部分。图11显示的是放油口附近的燃油相体积率分布，在出口的下游方向，其局部燃油相体积率迅速下降到0，这从另一角度说明燃油的雾化过程主要在放油口附近完成，放出的燃油不会对地面造成污染[15]。

图10 燃油颗粒直径分布(m)

图11 放油口燃油相体积率分布

工况2条件下，螺旋桨滑流及放油口尾流流线如图12所示，在放油口附近依然存在回流，图13可以说明逆压梯度依然存在。图14显示的燃油颗粒直径分布，在正迎角的工况下，在放油口附近燃油颗粒直径便下降到10-5～10-6m，完成雾化。颗粒轨迹表明放出的燃油很好地避开了飞机的各个部分，同时可看出其扩散范围比工况1更大。图15显示的是放油口附近燃油相体积率分布，局部燃油浓度在放油口下游方向迅速下降到0，说明了燃油的雾化过程主要在放油口附近完成，放出的燃油不会对地面造成污染，另外，可以看出燃油流向下扩散的趋势比工况1更加显著。

4 结论

本文对某型民机应急放油系统进行了介绍，采用数值仿真的方法对其应急放油两相流流场进

图12 螺旋桨滑流及放油口尾流流线(m/s)

图13 放油口压力分布

图14 燃油颗粒直径分布(m)

图15 放油口燃油相体积率分布

行了模拟。在螺旋桨滑流模拟中应用了滑移网格技术，应急放油流场仿真中应用了Fluent中的离散相模型(DPM)，并对仿真过程中的模型简化、网格建模、计算模型选择进行了研究及分析。在此基础上，选择了两种巡航姿态的工况进行仿真计算。经过流场CFD计算分析，得出以下结论：

(1)在放油口周围因为逆压梯度而形成回流，在负迎角下回流更加明显；

(2)飞行高度、飞行迎角、飞行速度会综合影响燃油颗粒的雾化扩散过程，在正攻角状态下，燃油颗粒向下扩散更加明显；

(3)飞行高度越高，扩散范围会越大；

(4)燃油的雾化过程主要在放油口附近完成，雾化后燃油颗粒直径为10-5～10-6m。

另外，实验结果表明某型民机的应急放油系统放油口设计方案合理有效，满足系统设计的要求，可以为其他机型的应急放油系统设计提供参考。

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(责任编辑：刘划 英文审校：韩微)

Numerical simulation of the two phase flow of airplane fuel jettison based on Fluent

LI Ming-zhong，TENG Ye，WANG Le，YANG Shi-quan

(Fifth Research Department,CAIGA Research Institute Co Ltd,Zhuhai Guangdong 519040，China)

In order to improve the design of a certain airplane fuel jettison system to meet the airworthiness requirements,and make the discharged oil atomize in the air,a scheme of the oil-discharging outlet arranged on the wing trail edge is proposed,and the scheme is verified by simulating the flow field of discharging oil.Considering the influence of propeller slipstream on flow field,sliding mesh technique is used in the rotating domain.In the simulation of fuel droplet movement and oil mist generation and diffusion,the discrete phase model (DPM) of multi phase flow in Fluent software is used,and the stochastic trajectory model is used in considering the influence of particle turbulent diffusion.After the non-influence factors of the discharging oil flow field are simplified,two cruise conditions are simulated.By analyzing the results,the scheme of the discharging outlet arrangement is proved to meet the design requirements.

fuel jettison;sliding mesh;discrete phase model;stochastic trajectory model;numerical simulation

2015-03-13

航空科学基金(项目编号：20102305001)

黎明中(1988-)，男，江西吉安人，助理工程师，主要研究方向：飞机燃油系统设计，E-mail：limz1988@126.com。

2095-1248(2015)04-0019-05

V211

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.004