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1沖擊壓力產(chǎn)生的原因及危害

供油泵突然全部停泵，供油泵出口的燃油在慣性的作用下繼續(xù)向前流動(dòng)，而后續(xù)的燃油被堵在供油泵的進(jìn)口，這時(shí)供油泵出口的部分管道騰出極小空間而產(chǎn)生低壓波，低壓波則在管道造成負(fù)壓，負(fù)壓使這些地方的壓力降至大氣壓以下，管子收縮。當(dāng)靠近動(dòng)力裝置附近安裝的切斷閥按設(shè)計(jì)要求突然關(guān)閉時(shí)，緊貼閥門(mén)上的一層燃油受閥門(mén)所阻，首先停止了流動(dòng)，流速突變?yōu)榱?，后面的燃油沿著管道涌?lái)，燃油壓縮，管道變形，壓力升高之后，這種狀況依次向后傳遞，使后面的各油層相繼停止流動(dòng)，遂造成整個(gè)管道燃油被壓縮，壓力升高，管壁脹大的沖擊壓力狀況，在切斷閥進(jìn)口側(cè)產(chǎn)生高壓波，高壓波與管道中原有供油壓力疊加產(chǎn)生異常的高壓力，它引起管道壓強(qiáng)迅速升高，峰值可達(dá)管道正常工作壓力的幾倍至數(shù)十倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)管道系統(tǒng)的檢驗(yàn)壓力和極限壓力。沖擊壓力是流體慣性造成的，它的實(shí)質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換，即流體在減速的情況下將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能，在加速的情況下，壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。對(duì)于一般燃油管路，流速變化1m/s所引起的水擊壓力值約為1MPa，汽油管路則為0.8MPa～0.9MPa。液體流速突然下降(特別是高流速的管道)所產(chǎn)生的沖擊壓力是最危險(xiǎn)的，如突然關(guān)閥、突然停泵，可能產(chǎn)生很高的沖擊壓力。

2沖擊壓力的計(jì)算和研究方法

2.1沖擊壓力計(jì)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

沖擊壓力的幅值取決于管道的材料、壁厚、直徑、長(zhǎng)度、燃油的流速、密度以及閥門(mén)的關(guān)啟時(shí)間等特性。進(jìn)行管道沖擊壓力分析計(jì)算需要利用反映管道各種特征的一系列數(shù)據(jù)，所需要的數(shù)據(jù)如下所列，計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算更是如此。管道流量、流速:設(shè)計(jì)最大流量;燃油流速。燃油的物理特性:燃油密度、運(yùn)動(dòng)粘度、燃油的彈性模量等。管道參數(shù):管徑、壁厚、管壁粗糙度，管壁彈性模量等。燃油系統(tǒng)管道主要設(shè)備布置簡(jiǎn)圖:油泵臺(tái)數(shù)及工作方式(并、串聯(lián))，油泵與閥門(mén)之間的距離、泄放閥的位置以及相互連接關(guān)系圖等。成品附件特性:燃油泵的額定流量、工作壓力;油泵進(jìn)出口壓力給定值及壓力范圍;切斷閥的切斷時(shí)間、調(diào)節(jié)特性;泄壓閥給定壓力值、不同超壓百分?jǐn)?shù)時(shí)的流量系數(shù)。

2.2幾種新的沖擊壓力計(jì)算方法

計(jì)算有多種，方法也各式各樣，傳統(tǒng)的沖擊壓力計(jì)算模型，由于過(guò)于簡(jiǎn)化，誤差較大。這里推薦幾種新的沖擊壓力仿真計(jì)算方法:基于Flowmaster燃油管道系統(tǒng)沖擊壓力仿真計(jì)算Flowmaster軟件是全球領(lǐng)先的流體管網(wǎng)系統(tǒng)解算工具，是面向工程的完備的流體系統(tǒng)仿真軟件，對(duì)于各種復(fù)雜的流體管網(wǎng)系統(tǒng)，利用Flow-master快速有效地建立精確的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行完備的分析。Flowmaster具備的分析模塊可以對(duì)流體系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，可以對(duì)不可壓縮流體和可壓縮流體系統(tǒng)進(jìn)行分析。燃油管道系統(tǒng)由泵、管道、接頭、彎頭、閥、引射泵、油濾等元件組成，這些元件在Flowmaster的元件庫(kù)中均能找到各自的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型用形象的示意圖來(lái)代表。每個(gè)物理元件的數(shù)學(xué)模型有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入表格，它定義該元件的輸入、輸出及特征參數(shù)。這就為Flowmaster燃油管道系統(tǒng)沖擊壓力仿真計(jì)算提供了極大的方便。但Flowmaster作為一維流體仿真軟件，與三維設(shè)計(jì)軟件之間缺乏數(shù)據(jù)接口，只有通過(guò)對(duì)軟件的二次開(kāi)發(fā)，才能使計(jì)算模型的更新與設(shè)計(jì)更改同步。例如結(jié)合Catia、Excel等軟件，對(duì)Flowmaster進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)使模型從一維成為三維模型，更利于流體的三維仿真分析?；贛ATLAB新的彈性水擊仿真計(jì)算方法華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)發(fā)表的“一種新的彈性水擊計(jì)算方法”是孟安波等基于MATLAB軟件提出的一種新的彈性沖擊壓力“e指數(shù)”計(jì)算方法，該方法不但易于將方程展開(kāi)，不帶來(lái)誤差，而且易于建模仿真。該計(jì)算方法準(zhǔn)確地反映了水擊壓力極值點(diǎn)及整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)該方法將介質(zhì)摩擦阻力對(duì)沖擊壓力的影響考慮在內(nèi)，提高了計(jì)算精度，使用方便，實(shí)用性得到了提高。因?yàn)樵撚?jì)算方法需要準(zhǔn)確的估算相應(yīng)的摩擦系數(shù)值，才能建立含有摩擦因子的、精確的彈性水擊計(jì)算模型，提高水擊計(jì)算的精度。LB方法模擬水電站水擊LatticeBoltzmann(LB)方法是一種可求解偏微分方程、模擬流動(dòng)現(xiàn)象的計(jì)算方法。自80年代末90年代初誕生以來(lái)，它以算法簡(jiǎn)單、并行度高、幾何邊界易處理等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的注意，并得到迅速發(fā)展。目前，它在非線性偏微分方程求解、多相流、多孔介質(zhì)流，特別是大規(guī)模三維流場(chǎng)的模擬等方面顯示出較大的潛力，展示了廣闊的前景。這種方法主要在民用水利系統(tǒng)模擬水電站水擊，航空燃油管道系統(tǒng)的仿真計(jì)算中使用。

2.3某型飛機(jī)管道系統(tǒng)需要計(jì)算的沖擊壓力

在閥門(mén)關(guān)斷或開(kāi)啟的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非恒定流的沖擊壓力，因此有必要對(duì)其產(chǎn)生的沖擊壓力進(jìn)行計(jì)算和故障分析。飛機(jī)燃油管道系統(tǒng)的沖擊壓力現(xiàn)象是一種典型的有壓管道非恒定流問(wèn)題，屬于彈性沖擊壓力計(jì)算范疇。飛機(jī)壓力加油系統(tǒng)工作時(shí)是一個(gè)密閉的有壓管道系統(tǒng)，若油箱內(nèi)的控制活門(mén)突然全部切斷時(shí)，由于加油管道進(jìn)口的安裝位置不同，按照產(chǎn)生最大沖擊壓力的條件，飛機(jī)順航向左翼Ⅰ號(hào)油箱管道會(huì)出現(xiàn)加油系統(tǒng)的最大沖擊壓力。如果沖擊壓力超過(guò)了管道的承受壓力，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)及其管道造成損壞，因此需要對(duì)加油控制活門(mén)關(guān)斷時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊壓力值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)壓力加油系統(tǒng)布局，建立沖擊壓力計(jì)算模型如圖2所示。以工作壓力為0.34MPa為計(jì)算加油壓力，加油控制活門(mén)成品正常關(guān)斷時(shí)間為3s，計(jì)算模型采用的閥控制器作為控制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加油控制活門(mén)的控制，閥控制器的輸入?yún)?shù)如圖3所示。計(jì)算中設(shè)置管路沖擊壓力波速為1038m/s，沖擊壓力相長(zhǎng)為0.027s。0.34MPa加油壓力下，4組油箱內(nèi)的加油控制活門(mén)理論同時(shí)關(guān)閉時(shí)，Ⅰ號(hào)油箱加油控制活門(mén)處最大沖擊壓力值為0.603MPa，其余3組油箱加油控制活門(mén)處最大沖擊壓力值都沒(méi)超過(guò)這個(gè)壓力值，Ⅰ號(hào)油箱活門(mén)處的沖擊壓力。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)沖擊壓力分析、仿真、計(jì)算表明，壓力加油系統(tǒng)最大沖擊壓力出現(xiàn)在4組活門(mén)同時(shí)關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)加油壓力為0.34MPa時(shí)，Ⅰ號(hào)油箱加油控制活門(mén)處最大沖擊壓力值為0.603MPa。滿足最大沖擊壓力不超過(guò)系統(tǒng)檢驗(yàn)壓力要求。壓力加油管道系統(tǒng)的沖擊壓力，在相同條件下，從傳統(tǒng)計(jì)算的方法得出的結(jié)論和Flowmaster軟件仿真計(jì)算得出的結(jié)論，其管道所承受的壓力誤差是顯而易見(jiàn)的?；贔lowmaster軟件仿真計(jì)算結(jié)果的精度高，更具有合理性。

3管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

由于沖擊壓力與管道長(zhǎng)度成正比，在管道其它參數(shù)度相同的情況下，管道越長(zhǎng)，越可能發(fā)生最大的沖擊壓力。且管道內(nèi)沖擊壓力的大小與管道的長(zhǎng)度成正比，減小管道的長(zhǎng)度，可以緩和沖擊壓力，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量縮短管道長(zhǎng)度以削減沖擊壓力。從間接沖擊壓力公式可看出，沖擊壓力相第4期施傳家:飛機(jī)燃油系統(tǒng)管路沖擊壓力問(wèn)題的研究35長(zhǎng)T越長(zhǎng)，在相同的切斷閥關(guān)閉時(shí)間下，管道內(nèi)沖擊壓力就越大，沖擊壓力Δp與相長(zhǎng)T成正比，減小相長(zhǎng)T，可以緩和沖擊壓力。在設(shè)計(jì)中選擇切斷閥時(shí)應(yīng)盡量選擇既符合設(shè)計(jì)要求又使啟閉時(shí)間較長(zhǎng)的成品，從而避免產(chǎn)生直接沖擊壓力并可降低間接沖擊壓力。在切斷閥入口處增設(shè)泄壓閥，采用被動(dòng)的泄壓方法使產(chǎn)生的壓力增值釋放掉，從而達(dá)到保護(hù)管道及切斷閥零件的目的，例如波音737等系列飛機(jī)就采用這種方式。

4結(jié)論

如何把沖擊壓力最大值控制在檢驗(yàn)壓力范圍之內(nèi)，將沖擊壓力發(fā)生的頻率和造成的危害降至最低，這是從事燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須考慮的問(wèn)題。

作者：施傳家單位：中航通飛研究院有限公司