某型APU燃烧室热应力分析

陈振中，贾 瑞，王璐璐，胡靖宇

(1.沈阳航空航天大学 民用航空学院，沈阳 110136；2.中国南方航空股份有限公司 沈阳维修基地，沈阳 110000)

0 引言

辅助动力装置(APU)是飞机上的一套独立的小型辅助动力系统[1]。近年来，随着军民用飞机的不断发展，对APU的可靠性等具有更高要求[2]。目前，关于发动机燃烧室的研究大多是数值分析结合实际试车或维修数据相互验证来进行[3-6]。常博博等人[7]采用部件法建立了某型APU数学模型并进行了数值仿真；罗绍文等人[8]利用CFD技术对单级微型涡轮的气动性能进行了研究；林志勇等人[9]计算了环形回流燃烧室三维两相喷雾燃烧流场，研究不同进口温度和油气比对两相喷雾燃烧流场的影响；崔博等人[10]使用CFD软件建立了环形燃烧室的气液两相燃烧计算模型；陈振中等人[11]通过使用Fluent软件，分析了APU排气腔体内部气体温度、流速和气动压力分布情况；孙科等人[12]采用湍流S-A模型对涡桨发动机进行吹风流场仿真计算并对比试验结果，二者吻合度良好；张志秋等人[13]成功运用数值仿真分析方法对低温风洞扩散段进行了耦合分析。

本文结合某民航维修基地实际维修案例，进行某型APU故障损伤分析。实际工况中导致构件疲劳损伤的因素较多，热端部件常常是因为处于高温工作环境下，强度下降而发生疲劳破坏，故本文主要探究热应力对构件产生的损伤影响。

1 建模及网格划分

1.1 构建模型

本文通过UG软件对燃烧室构件进行等比例三维模型构建，建模过程中结合燃烧室实际工作环境对结构进行了适当简化处理，燃烧室三维实体模型如图1所示。

村里的自来水受天气因素的影响，水质不好，水对于傣族人民有着特殊的意义，人们对水量和水质的要求比较高，村民们为了保障自己用水的方便与健康，很多人家都安装了净水机。

图1 燃烧室三维实体模型

通过DM模块在构件三维模型的基础上创建密闭平面，使用“FILL”指令在其内部完成流场的填充，流场如图2所示。

图2 流场

1.2 网格划分

能量方程表示流体中能量的增加率和外力对流体所作的功之和相等：

图3 网格划分模型

动量守恒定律是指某一流体微元体随时间的变化率和该流体微元体上所受总外力相等：

图4 网格正交质量图

2 基本物理方程

本文所研究的某型APU燃烧室的热应力问题，根据其正常工作状态下的相关气体速度、压强以及温度等参数数值，设置燃烧室流体域的边界条件[14-18]。燃料入口设为质量速度进口，速度为0.08 kg/s，温度460 K；空气进口边界设定为速度进口，速度为50 m/s，温度为600 K；出口选用压力出口，压强为0.33 MPa；将进气口湍流强度设为 10%，湍流粘度比为 20；为兼顾计算精度和计算能力，选用标准k-ε湍流模型；选用P1传热模型模拟燃烧室内部辐射传热；选用PDF非预混燃烧模拟湍流扩散燃烧；采用SIMPLE算法以及二阶迎风格式求解。

2.1 质量守恒方程

质量守恒定律是指某一时间内流入微元体的流体质量与构件内部增加的流体质量是相同的：

其中：v是流体速度矢量；ρ是流体密度。

2.2 动量守恒方程

考虑到计算精度，网格划分后采用正交品质对网格进行质量检验。网格正交质量图如图4所示，网格正交品质集中分布在1附近，网格质量较好，可以用于计算。

这种象征的易象与“道”相联系，也具有形上性的特征。刘若愚在《中国文学理论》中认为:“在‘形上’的标题下，可以包括以文学为宇宙原理之显现这种概念为基础的各种理论”，“在形上理论中，宇宙原理通常称为‘道'”[12](P20)。宇宙原理仅是“道”的涵义的一部分，《周易》一书多次提到了形而上的“道”，《易传·系辞》曰：

2.3 能量守恒方程

通过“MESH”指令进行燃烧室构件内部的流体区域网格划分，同时进行局部网格加密，网格单元数为3309544，网格划分模型如图3所示。

打造农产品物流平台。在天津食品集团的大力扶持下，搭建实体贸易链和网上贸易平台。建设总库容为4万吨的平房仓库，发展大宗农产品物流。将集团和国内的优质产品打入保加利亚及欧洲国家，将保加利亚及欧洲特色农产品引入中国，依托京津冀协同发展的广阔市场，积极发展中保双边贸易。

其中:p为压力；ζxx、ζyx、ζzx是气体粘性应力分量；αx、αy、αz是流体加速度在x、y和z方向上的分量。

3 结果与讨论

3.1 边界条件设置

针对APU燃烧室的实际工况，流场仿真计算主要服从以下三个基本守恒方程，即质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。

综上所述，螺内酯对神经母细胞瘤细胞具有诱导凋亡的作用，其机制可能与调节Bcl-2和Bax表达平衡有关。由于螺内酯体外诱导SK-N-SH细胞凋亡的剂量比较低，提示该药有一定的抑瘤作用，对于寻求神经母细胞瘤更好的生物和化学疗法具有潜在的价值。

3.2 仿真计算

将流场计算结果导入稳态热分析模块，根据实际工况，设置燃烧室外部环境温度为300 ℃，对流换热系数为20.27 W/(·°C)，得到燃烧室表面温度分布云图如图5所示。结果显示，内环冷却孔孔缘位置温度最高，高达1187.87 ℃，高温易使该位置强度下降，同时由于是内环冷却孔也容易因温度梯度过大产生疲劳损伤。

国内PBL教学模式在健康管理学教学的应用受到一定限制：首先，在我国，健康管理作为新兴学科，刚刚起步，专业人员及师资不足，虽有示范基地，但相对交流机会较少。在我国医学院校，很难要求学生花大量时间查阅大量资料，PBL教学模式在实际教学中很难进行应用推广。其次，我国医学院一直采取传统教学模式，学生的自学能力不是很强，倘若最基本的健康管理知识、基础理论掌握不够扎实，再加上对各学科相互联系的理论知识不融会贯通，只强调学生解决问题的能力，那就容易造成健康状态评估的片面化，影响全局观。所以，单纯采用PBL的教学方式，难以收到好的效果。

图5 燃烧室温度分布云图

通过构建“流-固”耦合模型，将稳态热分析模块得到的温度分布云图导入到静力分析模块中，进一步计算燃烧室的热应力和位移场分布云图。由于在稳态热分析模块中已经知道内环冷却孔位置是受热载严重区域，故而应力计算以及位移场计算主要根据内环部分进行计算，内环部分热应力分布云图如图6所示，内环部分位移场云图如图7所示。从图中可以看出，温度高的位置多承受压应力，温度低的位置承受着拉应力，这是由于燃烧室上每个单元温度不同而且相互约束不能自由热膨胀导致的，从而形成热应力，而在热应力下发生位移，最终产生损伤裂纹。

图6 内环部分热应力分布云图

图7 内环部分位移场云图

3.3 结果对比

通过仿真计算APU燃烧室稳态工作状态下的温度场和应力场，结果表明，燃烧室内环冷却孔孔口边缘部位温度较高，通过位移场可以看出内壁的孔边有较为明显的变形。送修构件主要破损位置如图8所示。通过对比分析结果和实际燃烧室破坏时产生的裂纹位置基本一致。

图8 送修构件主要破损位置

4 结论

本文主要利用数值分析方法，通过有限元计算软件 ANSYS对某型APU燃烧室三维模型正常工作状态下的温度场、应力场的耦合进行了模拟分析。通过对比仿真计算结果和实际送修构件损伤情况，发现燃烧室内环冷却孔位置在正常工作状态下由于过高温度梯度而导致高应力状态。孔缘极易过早萌生裂纹，缩短其使用寿命，造成性能下降乃至产生安全隐患。另外由于燃烧室结构十分复杂，同时周身遍布各种开孔结构，极易出现较大的温度梯度，从而导致极高的热应力，因此建议在发动机启动阶段，尽量缓慢、平稳启动以延长燃烧室使用寿命。该仿真计算结果较为符合实际工作情况，在今后的维修工作中应该着重加强对易损伤部位的维护。