1、三、 空氣系統(tǒng)3.1空氣系統(tǒng)概述空氣系統(tǒng):指的是空氣冷卻系統(tǒng)和熱氣防冰系統(tǒng)。通常從壓氣機(jī)適當(dāng)位置抽取空氣，通過發(fā)動機(jī)主流道的內(nèi)側(cè)或外側(cè)各種流動結(jié)構(gòu)元件按設(shè)計(jì)的流路及要求的流動參數(shù)流動并完成規(guī)定的各項(xiàng)功能。最后從確定的主流道排出并與主流匯合或直接泄漏到機(jī)體外部排入大氣。在流動過程中伴隨著空氣與發(fā)動機(jī)零件表面之間的熱量交換。冷卻空氣系統(tǒng)造成的損失減弱了提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葞淼膬?yōu)越性消耗渦輪功（壓縮冷卻空氣）；進(jìn)入燃?xì)庵髁鞯赖牡蜏乩錃饨档土酥魅細(xì)獾臏囟龋瑴p少渦輪功的輸出；因動能與方向的差異造成主燃?xì)饬鞯臍鈩訐p失空氣系統(tǒng)的作用渦輪轉(zhuǎn)子空氣冷卻與封嚴(yán)；渦輪靜子的空氣冷卻與主動間隙控制系統(tǒng)；軸承滑油空氣

2、封嚴(yán)系統(tǒng)；平衡轉(zhuǎn)子軸向力。冷卻空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的目的與任務(wù)提出并設(shè)計(jì)渦輪、壓氣機(jī)、承力系統(tǒng)的冷卻與傳熱方法；轉(zhuǎn)靜子封嚴(yán)及滑油空氣封嚴(yán)方法和結(jié)構(gòu)；研究和確定冷卻方式及其結(jié)構(gòu)元件的換熱及流動規(guī)律；確定流動冷氣系統(tǒng)沿程的參數(shù)；評估冷氣系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求和對發(fā)動機(jī)的影響；提出試驗(yàn)與試車測量任務(wù)和要求。冷氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算的兩種方式設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案后給定空氣流量和熱交換量計(jì)算出氣流通過元件的幾何尺寸、流通面積以及溫度、壓力等參數(shù)分布。檢驗(yàn)計(jì)算：給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、各元件的幾何尺寸、熱交換方式計(jì)算出各元件的流量分配及總空氣流量。3.2 冷氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟1.流路的簡化和制作包含各個(gè)網(wǎng)

3、絡(luò) 節(jié)點(diǎn)的流路拓?fù)鋱D；2.計(jì)算各個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元的流動特性參 數(shù)和換熱參數(shù)；3.求解整個(gè)流路網(wǎng)絡(luò)。對空氣系統(tǒng)流路進(jìn)行簡化1236789V1V2V3V4網(wǎng)絡(luò)單元流動參數(shù)與換熱參數(shù)的計(jì)算將發(fā)動機(jī)的各個(gè)腔室簡化成各種典型的冷卻結(jié)構(gòu)直通道、轉(zhuǎn)彎流道、帶粗肋流道、繞流柱流道、帶沖擊 冷卻流道、氣膜冷卻流道計(jì)算各個(gè)單元的流阻系數(shù)、熱邊界條件（溫度、換熱系數(shù)）3.3 空氣系統(tǒng)流路網(wǎng)絡(luò)方程的求解氣流與通道表面的熱交換 由牛頓換熱公式：氣流在通道中的流動損失： 旋轉(zhuǎn)通道中半徑r至r+dr段上離心力場對氣 流的質(zhì)量功:控制方程 在已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和幾何形狀尺寸、沿通道的損失系數(shù)、壁溫和換熱系數(shù)情況下可求得：壓力P、溫度T、

4、密度和流速u，如果給出各參數(shù)在系統(tǒng)中的分布情況可計(jì)算得幾何參數(shù)。冷卻空氣系統(tǒng)計(jì)算的方法順序法網(wǎng)絡(luò)法冷卻空氣系統(tǒng)計(jì)算的順序法（1）（2）將上面兩式相減(1)-(2)得：（3）將（2）和（3）式簡寫為：求解簡式方程得：確定冷卻空氣的流動路線及其離散，假定的分流點(diǎn)最好在中間；預(yù)估每一段的冷卻空氣流量mi及分流量 ；沿流動方向分段計(jì)算，直到冷氣系統(tǒng)的邊界，這時(shí)，計(jì)算得到的壓力值應(yīng)該符合邊界的壓力值。如果不符合，改變每一段的空氣流量，重新計(jì)算。直到計(jì)算得到的壓力全部與邊界壓力相符合。冷卻空氣系統(tǒng)計(jì)算的順序法順序法方法特點(diǎn)換熱和流動同時(shí)計(jì)算；顯式的計(jì)算過程，流量調(diào)整不好處理；比較容易處理元件內(nèi)有氣流流出；

5、多支路復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)比較難處理；冷卻空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法將空氣系統(tǒng)離散為若干微元段，每個(gè)微元段視為一個(gè)元件，每個(gè)元件只有一個(gè)進(jìn)口和出口，用節(jié)點(diǎn)表示元件進(jìn)出口，節(jié)點(diǎn)作為元件和元件的連接點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)形成由節(jié)點(diǎn)和元件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)遵循質(zhì)量守恒的原則：假定每個(gè)元件中空氣都為不可壓縮流。冷卻空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法流過元件的冷卻空氣的質(zhì)量流量同冷卻空氣的進(jìn)口總壓pin*和出口總壓pout*之間的關(guān)系可用一個(gè)式子來表示。 對 動量方程進(jìn)行積分得：解得質(zhì)量流： 空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法壓力變化和流量變化的關(guān)系空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法網(wǎng)絡(luò)簡圖ljki空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法首先假設(shè)各節(jié)點(diǎn)i，j，k，l的總壓pi*，pj*，p

6、k*和pl* 計(jì)算得到流量不一定滿足連續(xù)方程各個(gè)元件的流量調(diào)整應(yīng)該滿足：空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法綜合上面四個(gè)式子對于一個(gè)具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)、E個(gè)元件的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以構(gòu)成一個(gè)代數(shù)方程組： 空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法求解上述方程組可以得到N個(gè)節(jié)點(diǎn)的總壓修正量，再利用下式求出各節(jié)點(diǎn)的總壓：通過迭代求解可以得到冷卻空氣系統(tǒng)的壓力和流量的分布 。再由總壓求出靜壓：各個(gè)節(jié)點(diǎn)總溫的計(jì)算在一個(gè)元件內(nèi)積分能量方程得 ：從進(jìn)口處的總溫一直算到出口；在有分支流的情況下，節(jié)點(diǎn)總溫按照混合氣體的總溫計(jì)算，假定不考慮溫度對比熱的影響，在節(jié)點(diǎn)i處有M部分分支流入氣體時(shí)：（5）（6）空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算步驟將系統(tǒng)離散為由不同元件組成的網(wǎng)絡(luò)

7、系統(tǒng)；設(shè)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)總壓，由總壓計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的流量和流量殘量 ；根據(jù)（4）式計(jì)算出總壓修正量，重新計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)新的總壓，直到總壓修正量在允許的誤差范圍內(nèi)；設(shè)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的總溫，根據(jù)式（5）（6）重新計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的總溫，計(jì)算結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，迭代計(jì)算直至設(shè)定值與計(jì)算值在允許誤差范圍內(nèi)。空氣系統(tǒng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)法網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算的特點(diǎn)在求解空氣系統(tǒng)的壓力和流量時(shí)，有可靠的流量和壓力調(diào)整方法沒有進(jìn)行換熱計(jì)算，換熱計(jì)算一般在元件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，在節(jié)點(diǎn)按冷卻空氣混合計(jì)算。很容易處理多支路的大型空氣系統(tǒng)對三通等元件的出流不易處理冷卻空氣系統(tǒng)計(jì)算的特點(diǎn)冷卻空氣系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性取決于：邊界條件的準(zhǔn)確網(wǎng)絡(luò)劃分的準(zhǔn)確元件阻力的準(zhǔn)確計(jì)

8、算旋轉(zhuǎn)對流動阻力和換熱的影響腔室的流動阻力不能根據(jù)發(fā)動機(jī)總體要求對冷卻空氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算冷卻空氣系統(tǒng)的優(yōu)化流體網(wǎng)絡(luò)法：將復(fù)雜流路簡化為節(jié)點(diǎn)和元件組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過典型元件特征列出基本方程熱網(wǎng)絡(luò)法：把研究對象細(xì)分成節(jié)點(diǎn)單元，節(jié)點(diǎn)之間有熱量傳遞，節(jié)點(diǎn)之間傳熱都用熱阻代替3.4 空氣系統(tǒng)是一體化求解平臺介紹流體網(wǎng)絡(luò)元件可分為 壓力源、篦齒、腔室、損失元件和孔等；熱網(wǎng)絡(luò)元件可分為熱源、導(dǎo)熱熱阻和對流換熱熱阻；整體網(wǎng)絡(luò)通過建立能量守恒，流體網(wǎng)絡(luò)建立質(zhì)量守恒方程，可以求得流體網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)壓力、溫度分布，熱網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)溫度分布。Company Logo在圖上添加流體網(wǎng)絡(luò)元件和節(jié)點(diǎn)：Company Logo每

9、一個(gè)元件通過點(diǎn)擊彈出對應(yīng)對話框，輸入結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)：Company Logo同樣，建立熱網(wǎng)絡(luò)，固體內(nèi)部通過導(dǎo)熱元件連接，邊界處添加對流換熱元件Company Logo流熱耦合處的對流換熱系數(shù)可通過三維快速計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)Company Logo通過該平臺，輸入基本參數(shù)，邊界條件即可完成網(wǎng)格建立、計(jì)算，返回所需值如壁面對流換熱系數(shù)：Company Logo計(jì)算過程可實(shí)時(shí)監(jiān)控Company Logo計(jì)算完成后可查看相關(guān)結(jié)果，并返回所需參數(shù)，如對流換熱系數(shù)。Company Logo通過以上操作，給定各元件基本參數(shù)，并建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，便可進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果以圖表形式顯示Company Logo各節(jié)點(diǎn)參數(shù)

10、同時(shí)存儲在excel表中空氣系統(tǒng)部件計(jì)算軟件展示新態(tài)空氣系統(tǒng)算法穩(wěn)態(tài)空氣系統(tǒng)的蒙特卡洛法瞬態(tài)空氣系統(tǒng)的特征線法空氣系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)求解任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)的流阻特性和幾何特性，對空氣系統(tǒng)進(jìn)行流量分配和壓力分配。已知邊界條件，求解內(nèi)部變量引入蒙特卡羅法理論基礎(chǔ)：概率統(tǒng)計(jì)理論主要手段：隨機(jī)抽樣分配比例：概率大小分配的思想取隨機(jī)變量，構(gòu)造隨機(jī)游動模型移動路線：p p1i . QN次隨機(jī)游動，pp11p12p1iQ蒙特卡羅法蒙特卡羅法優(yōu)點(diǎn)： 算法簡單 可單獨(dú)對任一節(jié)點(diǎn)計(jì)算 易于并行化缺點(diǎn)： 一定會收斂 不能解決精確度要求很高的問題 收斂速度不快 瞬態(tài)空氣系統(tǒng)計(jì)算方法： 廣義的變截面、有摩擦和對外熱交換的一維可壓縮非

11、定常流動及換熱的偏微分方程組如下： 連續(xù)方程 動量方程 能量方程 理想氣體狀態(tài)方程 對于局部損失元件，包含x的偏微分項(xiàng)可轉(zhuǎn)換為不同時(shí)刻下的常微分項(xiàng)： 連續(xù)方程 動量方程 能量方程 理想氣體狀態(tài)方程 盤腔旋轉(zhuǎn)通道靜止通道環(huán)形通道孔口封嚴(yán)間隙盤緣間隙突擴(kuò)突縮邊界節(jié)點(diǎn)邊界節(jié)點(diǎn)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)交互節(jié)點(diǎn)局部損失元件特征“長”元件流體網(wǎng)絡(luò)法特征線法空氣系統(tǒng)瞬態(tài)解決方案瞬態(tài)空氣系統(tǒng)-特征線法連續(xù)方程L1：動量方程L2： 引入因 子 將上述兩個(gè)方程進(jìn)行線性組合：求得：則：瞬態(tài)特征線法理論性嚴(yán)密 物理概念清晰 數(shù)值穩(wěn)定性良好計(jì)算精度和效率很高 特點(diǎn)：1.瞬態(tài)空氣系統(tǒng)盤腔的處理 難點(diǎn)：3.5防冰表面的熱流量計(jì)算結(jié)冰帶來的危害使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣面積減少，減少發(fā)動機(jī)空氣流量；使發(fā)動機(jī)性能下降，嚴(yán)重導(dǎo)致喘振；由于發(fā)動機(jī)振動，冰層破裂脫落，被吸入，而打傷葉片，