郭衍锋， 张小军， 潘 俊， 韩贞荣， 邱在辉， 苗 扬,3

(1.北京工业大学 材料与制造学部， 北京 100124； 2.中国航空工业集团 南京机电液压工程研究中心， 南京, 江苏 211106;3.北京工业大学 先进制造技术北京市重点实验室， 北京 100124)

引言

燃油系统是飞机上的重要系统[1]，飞机燃油活门在飞机燃油系统担任重要角色，更是许多流体动力系统中的不可或缺的组件。早在20世纪70年代就已经报道了活门的动态建模[2]，SONG X等[3]使用CFX套件对泄压活门进行二维动态分析;李跃东等[4]尝试对调节关断活门的设计进行了分析和设计; SRIKANTH C等[5]使用移动网格技术对常见的4类活门进行了研究，但两者都没有对关闭过程的应力应变进行研究。齐晓燕等[6]、柳海波等[7]对航空飞机的液压管路进行了仿真分析和研究，取得了一些进展，但是在大流量大压力情况下并不适用。孙晓锋等[8]对压电泵用截止活门的最小开启压力和静态过流能力做了分析试验，结果表明0.2 kPa时就可以开始工作，但是流量和压力都相对较小。显然在21世纪，低流量、低压力已经不能满足当代飞机燃油系统的需求[9]。在飞机活门故障的研究中，邓江[10]和葛俊等[11]对活门故障进行了分析，提出只有提前排除飞机燃油系统故障，才能保障飞行安全。研究发现，在大流量大压力的条件下，飞机燃油活门的安全性能十分不稳定，容易出现各种故障情况，从而导致意外事故频发[12-14]，因此对飞机燃油系统活门进行研究是十分有必要的[15]。

本研究针对活门故障问题进行流固耦合仿真，分析活门在关闭过程的瞬态特性，得出影响活门故障和活门寿命的主要因素，并搭建试验平台进行活门关闭试验。

1 流固耦合计算

在进行流固耦合计算时，有限元解法是求解该问题的主要算法，从数据的传递角度分析，可将流固耦合计算分为 2 种类型：单向流固耦合分析和双向流固耦合分析[16]，其中双向流固耦合分析又可分为顺序求解法和同时求解法。

单向流固分析中，在流固耦合的交界面只进行数据的单向传递，即一般只允许流体力通过交界面传递给固体，而固体的变形不影响流场的变化，因此流体分析的结果对计算结果影响较大；双向流固耦合是指流体与固体之间的计算结果通过流固耦合相交界面的相互传递和相互影响。由于这种数据是实时传递，因此计算量较大，一般用于大变形问题[17-18]。

研究对象选取是球形燃油活门，由于流道内阀体对流体产生的影响很小，几乎可以忽略不计。所以本研究对活门关闭过程只作单向流固耦合分析，即只考虑流体对阀芯的压力变形情况，不考虑阀体对流体的影响。

2 流固耦合模型

2.1 流体控制方程

考虑到研究对象为不可压缩液体，其连续性方程可表示为：

(1)

式中，νx，νy，νz分别为在x，y，z方向上的速度分量。

动量守恒方程为流体力学中动力定理的表达式，遵循牛顿第二定律的原则，其在x，y，z方向上的动量方程分别为：

(2)

(3)

(4)

式中，p—— 流体微单元上的压力

τxx，τxy，τxz—— 微单元表面上不同方向上的黏性应力分量

fx，fy，fz——x,y,z方向上的单位质量力分量

流体流动还必须遵循能量守恒定律，即单位时间内流体内部能量的增长量与质量力做功、流体内部增加热流通量和表面力三者之和相等，能量守恒方程表达式为：

(5)

式中，E—— 流体微单元体总能量，E=h-p/ρ+ν2/2

keff—— 有效热传导系数

h—— 焓

Jj—— 扩散通量

Sh—— 其他体积热源项

2.2 固体运动方程

固体结构部分的控制方程主要根据牛顿第二定律得到：

(6)

式中，ρs—— 固体的密度

σs—— 柯西应力张量

fs—— 体积力矢量

2.3 流固耦合面守恒定律

流固耦合分析在满足上述三大基本守恒定律的基础上，在耦合面上有如下规律：

(7)

式中，τ为流体与固体的应力；d为位移；q为热流量；T为温度；n为特征向量；下标f，s分别表示流体和固体。

式(1)～式(7)是流固耦合分析中的基本方程，在实际分析中，常将其简化为通用的控制方程式，通过对其边界条件及初始条件参数的设置，进行联合求解，加快运算速度。

3 数值仿真

选取飞机燃油系统某型号球形燃油活门进行数值仿真模拟，仿真流体类型为RP-3航空燃油，其主要几何参数如表1所示。

表1 仿真球形活门的主要技术参数

3.1 网格划分及边界条件设置

用绘图软件画出球形燃油活门的装配图，如图1所示。

图1 球形燃油活门装配图

将在SolidWorks中建好的球形活门模型导入到ANSYS的Fluid Flow模块中，然后提取流体域，图2为全开状态下提取的流体域。

图2 全开状态流体域提取图

一般来说，网格划分越密集，计算的结果精度更高，但网格划分过于密集，会使形成的单元过多，其划分过程和计算过程将消耗大量的时间，延缓工作效率。因此，应适当控制网格划分的过程，活门结构变化不大的地方将网格划分的稀疏一些，而在结构复杂且变化较大的地方，尽量把网格划分的密集一些，以保证这些区域的精度，同时也适当降低计算的工作量，最终网格划分完成的结果如图3所示。

图3 流体域网格划分

设置边界条件时，将进口设置为压力进口，进口压力为0.7 MPa；出口设置为压力出口，出口压力为0 MPa。

3.2 活门关闭过程分析

所选的流体域为活门打开一定开口时的稳态模型，当活门无法关闭时，形成稳定的流体域。采用稳态分析的方法分析计算阀芯开度为0°，30°，60°时，内部各部分的流速以及对阀芯的压力。

活门完全打开时的流体域横截面上的压力分布云图，如图4所示。可以看出，压力从入口到出口逐渐减小，并没有发生突变。

图4 阀芯开度为0°时压力分布云图

阀芯开度为30°时的流体域横截面上的压力分布云图，如图5所示。可以看出，当活门在即将关闭时，已经有明显的压力差出现。

图5 阀芯开度为30°时压力分布云图

阀芯开度为60°时的流体域横截面上的压力分布云图，如图6所示。阀芯开度越大，压力剧变越大，阀芯继续转动受到的阻力也就越大，最终导致阀芯无法转动，使得活门无法正常关闭。

图6 阀芯开度为60°时压力分布云图

3.3 应力应变分析

为了让结果更加有说服力，本研究对以上结果分别做了单向流固耦合仿真分析，得到阀芯开度在0°，30°，60°的等效应力云图和总变形图，分别如图7～图12所示。

图7 阀芯开度为0°时等效应力云图

图8 阀芯开度为0°时总变形图

图9 阀芯开度为30°时等效应力云图

图10 阀芯开度为30°时总变形图

图11 阀芯开度为60°时等效应力云图

图12 阀芯开度为60°时总变形图

从仿真结果不难看出，随着阀芯转动角的增大，阀芯受到的等效应力明显增大，变形量也越来越大，进一步说明在活门关闭过程中存在严重的变形，致使出现活门关闭不严等故障问题，严重损害活门寿命和飞机燃油系统安全。

4 活门关闭试验

4.1 燃油活门试验台

为了验证本研究数值仿真结果的准确性，搭建了某型号飞机燃油活门的试验台，如图13所示，试验时齿轮泵泵出的燃油通过过滤器除去燃油带有的灰尘等杂质；燃油由主油路经调节阀调节油液流量与压力后，分别来到液动控制活门入口与射流传感器入口，此时射流传感器暴露于空气中，接收率较高；控制腔接收高压信号，活门打开，燃油通过活门经管道进入油箱；当射流传感器被液面淹没时，射流传感器接收率大幅降低，活门关闭，停止输油，齿轮泵泵出的燃油由辅油路经流量传感器和气动薄膜调节阀进入油箱。

1.齿轮泵 2.球阀 3.过滤器 4.气动薄膜阀 5.油箱 6.压力传感器 7.限流孔 8.数据采集卡 9.计算机终端 10.射流传感器 11.流量表 12.油泵控制活门

为了监测活门的综合健康状态，借鉴文献[19]对液压活门的试验研究，在活门组件上安装压力传感器、流量传感器等，压力传感器用于测量活门入口和出口的压力信号，选用量程为2 MPa的压力传感器，上位机软件采用LabWindows/CVI+RTX编写，前者用于编辑人机交互界面，后者用于实现软件与传感器之间的底层通讯，完成传感器输入信号的模拟量/数字量(A/D)转换。

选用合适的试验件，试验件活门主要技术参数如表1所示。对试验件进行1400 L/min流量下的关闭试验。随着压力和流量慢慢增大，试验品活门无法完全关闭，从电动机械指示上判断阀芯转动约63°，无到位信号发出，说明活门没有完全关闭，之后对其他工况下依次做关闭试验，得到测试数据如表2所示。

表2 试验件活门的主要技术参数

实时记录压力传感器的数据，如表3所示，运用MATLAB进行数据提取和处理，得到试验品在入口压力为0.7 MPa，流量为1200 L/min的进口和出口压力曲线如图14、图15所示。试验时，先将入口端压力增加至0.7 MPa,之后打开活门，慢慢增加流量到1200 L/min，测得入口端峰值为0.94 MPa，最后缓慢关闭活门，未出现故障情况。

图15 试验件出口压力曲线(1200 L/min)

表3 活门关闭试验测试数据

图14 试验件进口压力曲线(1200 L/min)

对试验件进行重复试验，得到试验品在0.7 MPa入口压力下，流量为1350 L/min的进口和出口压力曲线如图16、图17所示。测得入口端峰值为1.06 MPa，最后关闭活门，发现无法关闭，但试验件在关闭过程中的压力不断上升，关闭最后瞬压高达1 MPa(静压)。分析认为，大流量下球体(阀芯)关闭至无法转动时，产品在流道侧面仅剩余1个小开口，每分钟数百升的流量从这个开口高速流入与流出，在很短的范围内造成了0.7 MPa以上的压力损失，对球体产生了极大的动压，阻止阀芯继续转动，此后试验件一直维持该工况，可见入口端压力几乎被弯曲的流道消耗掉。

图16 试验件进口压力曲线(1350 L/min)

图17 试验件出口压力曲线(1350 L/min)

5 结论

本研究以经典飞机燃油系统球形活门为研究对象，对所构建的活门模型运用数值仿真分析的方法进行了分析验证，得到如下结论：

(1) 在实际工程中，管道的变形量较小，对流体介质的影响十分微小，因此在进行数值仿真分析时，只需要进行单向流固耦合分析就能得到较为准确的变形结果；

(2) 活门无法完全关闭的原因是流道内部形成巨大的压力差，阻止阀芯继续转动，导致形成较大的变形问题，进而引起故障；

(3) 对同类型活门做关闭试验，多次试验发现，当试验件无法完全关闭时，剩余流量为200～300 L/min，出口端压力约为0.2 MPa，此后一直维持该工况，电动机构堵转，在很短的长度范围造成了巨大的压力损失，对阀芯产生极大的压力，使得阀芯无法继续转动，试验结果和仿真结果大体相同；

(4) 由于仿真模型比较理想化，忽视了摩擦等因素，所以结果比较单一，但仿真与试验结果大体相同，进一步证明流量和压力是影响活门故障和活门寿命的主要因素，甚至会造成严重安全事故，研究结果对飞机燃油系统活门故障和健康管理系统提供了支撑环境，也为实现飞机燃油系统活门故障检测提供了宝贵数据。