基于Flowmaster软件的直升机燃油系统仿真计算 - 文章

基于Flowmaster软件的直升机燃油系统仿真计算

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摘要：本文介绍了流体系统仿真软件FLOWMASTER的基本功能，某型直升机燃油系统的系统组成、工作原理，并利用FLOWMASTER软件对该系统进行建模，得到了燃油系统的仿真计算结果，并进行了分析。
关键词：直升机；燃油系统；仿真计算

1 前言

Flowmaster软件是全球领先的一维流体管网系统解算工具，是面向工程的完备的流体系统仿真软件包，对于各种复杂的流体管网系统，利用Flowmaster快速有效地建立精确的系统模型，并进行完备的分析。Flowmaster具备的分析模块可以对流体系统进行稳态和瞬态分析，可以对不可压缩流体和可压缩流体系统进行分析，也可对系统进行热传导分析。

2 Flowmaster软件建模

2.1 模型描述

一个流体管道系统的物理原型总是由许多元件构成的，像泵、管道、接头、弯头、阀、喷嘴等元件都是组成流体系统常用的元件，而这些元件在Flowmaster丰富的元件库中均能找到各自的数学模型，所有数学模型都用很形象的示意图来代表。每个物理元件的数学模型都有一个数据输入表格，它定义了该元件的输入、输出及特征参数。

2.2 建立流体系统模型

建立系统模型是指将不同的元件组合在一起并按照其物理原形将每个元件互相联系起来的方法。Flowmaster图形界面提供的建模环境，可以建立各种流体管网的仿真模型，管网中包含各种管道(含软管) 、泵、接头、弯头、阀、喷嘴、控制器、显示仪表、缸、伺服阀、风扇以及马达等元件，管网内的流体可以是各种介质，常见的有水/液系统、油、气(空气、氧气、二氧化碳、氢气等) (见图1) 。

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图1利用Flowmaster软件建立的系统模型

Flowmaster的模型是基于图形界面的一维流体系统图，管网中的各个元件用形象的图标表示，它具有易学易用的特点。工程师可以用鼠标从相应的菜单中直接选取各种元件，放在适当的位置，并输入基本数据(元件的物理数据) 。在连接到管网中后，元件及其各个端口会自动被分配相应的序号。管网图中的每一个局部(包括序号及说明文字)可以单独被放大，局部管网可以组成子系统，用一个超级块代替，再接入到大的网络中。在管网中可加入一些控制元件，如控制器、信号发生器、记录器、信号分配器、信号测量器和时钟，这些控制元件可以通过曲线或代数表达式控制，也可以通过Visual Basic或JAVA语言编程控制。

3 仿真分析

3. 1 交互仿真分析

在Flowmaster中建立好仿真模型并对元件输入数据后，可以运行模型进行计算分析。开始，软件先对模型中所有的数据进行检查。如果发现有数据遗漏，软件会列出一份清单，提示用户将遗漏的数据补上。如果没有数据遗漏，计算会进行到底，最后得到管网中流体的压力、速率和温度。

计算时，软件会显示进程状态以及按计算步长给出当前仿真时间，可在任意时刻暂停并给出必要的信息。同时，实时绘出代表计算结果的图表。

交互式仿真功能可在仿真计算时随时改变元件的某个参数，如马达的转速或阀芯的位置等，这些参数的改变对系统的影响会立刻显示出来。交互仿真对用户非常有帮助，用户可以实时监视输出结果，改变系统参数，当结果不理想时，可以随时停止仿真。

3. 2 结果分析及后处理

Flowmaster仿真计算结果可用图形定性的显示，也可以用表格将结果在每一个时刻的具体值定量的表示。图表可以多窗口、多曲线、多轴同时绘制，或用指针式仪表的方式显示，或用数字直接在管网中显示，如果先定义好一个颜色表，可以用各种颜色代表管网中各点的计算值处在什么数值范围内。利用Flowmaster得到系统仿真结果后，可以将结果剪切或粘贴到WORD 报表中，传递到EXCEL表格中。也可以将Flowmaster的结果传递给FLUENT或STAR - CD等CFD软件，作为CFD 软件分析元件内部流场的边界条件。

4 某型直升机燃油系统概述

4. 1 系统构成

燃油系统由油箱、油泵以及控制附件等组成，其中油箱包括2个外挂油箱和1个消耗油箱；油泵包括2个外挂油箱燃油泵和1个消耗油箱燃油泵。挂架油箱系统由2个标准挂架、4个有尾翼的挂架辅助油箱、2个无尾翼的挂架辅助油箱、2个引射泵和连通管路组成。其中，每个挂架安装了3个通用挂梁，用于悬挂6个挂架辅助油箱， 2个无尾翼的挂架辅助油箱悬挂于内侧挂梁。2 个引射泵分别位于左、右外挂油箱上部。连通管路固定在挂架上。

4. 2 系统工作原理

燃油系统工作时，消耗油箱向发动机供油， 2个外挂油箱的燃油泵向消耗油箱供油，同时带动引射泵工作，由挂架辅助油箱向外挂油箱供油。挂架辅助油箱的燃油未消耗完时，挂架辅助油箱向外挂油箱的供油量大于外挂油箱向消耗油箱的供油量，外挂油箱始终保持满油，并且多余的燃油通过挂架辅助油箱系统的回油管流回挂架辅助油箱(见图2) 。

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图2 燃油系统工作原理图

挂架油箱中的燃油通过引射泵引射至外挂油箱，引射泵的工作原理为:燃油从燃油泵经过喷嘴进入油腔，流速加快，压力降低，形成压力差，从而将挂架辅助油箱的燃油吸入外挂油箱。

5 Flowmaster系统仿真模型

根据该型直升机的燃油系统结构，其Flowmaster仿真模型如图3所示。燃油从左右挂架辅助油箱经引射泵吸入左右外挂油箱中，经由主管路向消耗油箱供油。上述系统描述了整个加油系统的真实管路结构，使整个Flowmaster仿真模型更准确的反映实际系统的特点。对模型进行调试，使其符合系统的基本性能数据。

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燃油系统中，包括油箱、引射泵、燃油泵、管道、弯头、单向阀以及各种边界的压力源和流量源。这些器件在Flowmaster中都可以应用数据库提供的部件进行非常迅速的建模。针对不同部件， Flowmaster提供了多种建模方式，尽可能反映具体应用场合。

(1)挂架油箱(外挂油箱与挂架辅助油箱)与消耗油箱， Flowmaster的Reservior元件族提供了多种选择用以模拟油箱。在该系统中采用Reservior: 3arm元件来模拟挂架油箱和消耗油箱。该元件有三个独立的入口，对应该系统所用油箱的浮子活门、放油开关和加油口(见图4) 。

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(2)引射泵。Flowmaster的元器件库提供了航空专用的引射泵元件，该元件的三个连接口分别对应引射泵的入口、出口以及抽吸口(见图5) 。

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(3)挂架油箱向消耗油箱供油的主管路。图6为左右挂架油箱向中央消耗油箱供油的主管路模型。该模型中的管路由圆截面长管和弯头组成。单向活门用Flowmaster阀族元件中的单向阀Valve:Swing check进行模拟。

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(4)消耗油箱控制阀门。为了保证消耗油箱维持满油，需要对进入消耗油箱的油量进行控制。利用Flowmaster功能强大的控制元件Controllers和测量元件Gauges，与阀门的元件进行组合可以方便的模拟控制阀门，通过控制阀门开度从而对供油量进行控制(见图7) 。

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( 5 ) 挂架辅助油箱与外挂油箱管路布置(见图8) 。利用Flowmaster提供的三通T - Junction元件，可以方便的构造出油管路和回油管路。

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(6)油箱油量显示仪。利用Flowmaster的控制元件与测量元件，可以构造油箱油量显示仪(见图9) 。由测量元件得到油箱液面高度，输入到控制器中，通过编辑VB 脚本语言实现对任意规格油箱的油量的计算并进行仪表显示。

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(7)飞行姿态控制器。为了真实的模拟直升机的飞行姿态，模型中增加了飞行姿态控制器，对飞行姿态进行调整，模拟实际的飞行状态(见图10) 。

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6 仿真计算结果

建立后模型后，运行模型对燃油系统进行分析，油箱油量通过仪表进行显示的情况。对于系统中瞬时的扰动和变化，如阀门关闭，油泵转速提高，飞行姿态改变等情况，其对油箱油量的影响都可以通过仪表显示功能直观的进行实时监测。

6. 1 平飞状态仿真结果

直升机平飞状态(倾转角度为0°)，在挂架油箱燃油没有消耗完时，外挂油箱始终保持满油状态，左侧挂架油箱的净输出流量为5194 L /min (左侧引射泵抽吸流量减去左侧回油管总流量)，右侧挂架油箱的净输出流量为6106 L /min (右侧引射泵抽吸流量减去右侧回油管总流量)，左、右挂架油箱的输油量基本平衡。

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6. 2 倾转状态仿真结果

直升机倾斜状态(向右倾转角度为3°)，在挂架油箱燃油没有消耗完时，外挂油箱始终保持满油状态，左侧挂架油箱的净输出流量为11155 L /min (左侧引射泵抽吸流量减去左侧回油管总流量)，右侧挂架油箱的净输出流量为0145 L /min (右侧引射泵抽吸流量减去右侧回油管总流量)，左、右挂架油箱的输油量严重失衡。

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7 结果分析及结论

该燃油系统外挂油箱的连通管路一般应处于连通状态，左、右挂架油箱通过回油管路和外挂油箱的连通管路处于连通状态，当直升机左右倾斜时，较高一侧会向较低一侧串油(直升机倾转3°时，左右外挂油箱间的流量差约为5156 L /min)，造成较高一侧挂架油箱的输油量远大于较低一侧挂架油箱的输油量(直升机倾转3°时，二者的流量差约为11 L /min)，时间稍长会造成侧向重心偏移，情况严重时会影响飞行操纵，危及飞行安全。因此，该型直升机带挂架油箱飞行时，应尽量保持左右水平，严禁长时间向一侧倾转飞行。

参考文献:
[ 1 ] Flowmaster软件使用手册. Flowmaster International L td公司.
[ 2 ] 某型直升机使用维护手册. 总参陆航部装备局.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/8/2010)


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