摘要:航空發(fā)動(dòng)機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程中常面臨零過(guò)載或負(fù)過(guò)載工況，滑油箱能否在此類極端工況下維持穩(wěn)定供油，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全與可靠性。針對(duì)滑油箱過(guò)載試驗(yàn)驗(yàn)證能力不足的工程瓶頸，基于VOF多相流模型與可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型，建立了滑油箱負(fù)過(guò)載腔動(dòng)態(tài)供油的數(shù)值模擬方法。通過(guò)構(gòu)建包含負(fù)過(guò)載腔、補(bǔ)油腔、溢流通道及供回油管路的完整物理模型，對(duì)0g、-0.5g、-1g、-2.5g四種法向過(guò)載工況下的氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。結(jié)果表明：0g過(guò)載條件下，負(fù)過(guò)載腔內(nèi)油氣呈混合狀態(tài)，供油流量出現(xiàn)波動(dòng)，有效供油時(shí)間為4.8~7.9 s；負(fù)過(guò)載條件下油氣相分離，供油過(guò)程平穩(wěn)直至流量衰減。有效供油時(shí)間隨滑油循環(huán)量增大而顯著縮短，在較高循環(huán)流量下，供油時(shí)間隨負(fù)過(guò)載強(qiáng)度增大而延長(zhǎng)。隔板上補(bǔ)油孔與通氣孔在零負(fù)過(guò)載條件下產(chǎn)生溢流，0g時(shí)補(bǔ)油腔向負(fù)過(guò)載腔補(bǔ)油有利于延長(zhǎng)供油時(shí)間，而負(fù)過(guò)載條件下負(fù)過(guò)載腔向補(bǔ)油腔溢流則減少了可用滑油量。本研究為航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱負(fù)過(guò)載腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與供油能力評(píng)估提供了理論依據(jù)和數(shù)值分析手段。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；滑油箱；負(fù)過(guò)載腔；動(dòng)態(tài)供油；數(shù)值模擬；VOF方法

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)概述

1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的重要性

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為現(xiàn)代飛行器的核心動(dòng)力裝置，其潤(rùn)滑系統(tǒng)承擔(dān)著保障各摩擦副可靠運(yùn)行的關(guān)鍵使命。潤(rùn)滑系統(tǒng)通過(guò)滑油的輸送與循環(huán)，實(shí)現(xiàn)減小摩擦磨損、帶走熱量、清潔部件、輔助密封等多重功能，是確保發(fā)動(dòng)機(jī)安全性與耐久性的基礎(chǔ)保障系統(tǒng)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的運(yùn)行包線中，飛行姿態(tài)變化、過(guò)載條件轉(zhuǎn)換等因素使?jié)櫥到y(tǒng)的供油環(huán)境呈現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)化特征。其中，滑油箱作為潤(rùn)滑系統(tǒng)的核心儲(chǔ)供油部件，其設(shè)計(jì)必須能夠適應(yīng)從平飛到倒飛、從正過(guò)載到零負(fù)過(guò)載的各類極端工況，確保在任何飛行狀態(tài)下都能向發(fā)動(dòng)機(jī)提供連續(xù)、穩(wěn)定的滑油供給。

發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中存在倒飛或零負(fù)過(guò)載工況，此時(shí)常規(guī)的重力供油機(jī)制失效，滑油無(wú)法依靠重力自然流入吸油口。因此，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱通常在箱內(nèi)設(shè)置負(fù)過(guò)載腔結(jié)構(gòu)，利用容積有限的獨(dú)立腔室在負(fù)過(guò)載期間提供短時(shí)滑油供給，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)滑油中斷的頻率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性與可靠性。負(fù)過(guò)載腔的設(shè)計(jì)與工作特性直接決定了滑油箱在極端工況下的供油能力，是滑油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

1.2 國(guó)內(nèi)外液體晃蕩數(shù)值仿真研究綜述

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載工況的特殊性，難以在部件或發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的地面狀態(tài)下開展過(guò)載試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)架通常只能模擬有限的姿態(tài)變化，而真實(shí)飛行中的復(fù)合過(guò)載條件往往難以在地面試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)。此外，滑油箱內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及滑油供回油的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程，使得純?cè)囼?yàn)方法存在周期長(zhǎng)、成本高、數(shù)據(jù)獲取有限等局限性。因此，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值仿真方法成為研究滑油箱內(nèi)液體晃蕩行為的重要技術(shù)途徑。

針對(duì)容器內(nèi)液體晃蕩現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量數(shù)值仿真研究，形成了多種理論模型與計(jì)算方法。在數(shù)值方法方面，Chen等基于有限差分法研究了液艙內(nèi)黏性流體的晃蕩運(yùn)動(dòng)，結(jié)合坐標(biāo)變換方法追蹤液體晃動(dòng)的自由表面；Jin等基于兩相流理論對(duì)三維液艙晃蕩過(guò)程中的粘性阻尼進(jìn)行了深入分析；Faltinsen采用攝動(dòng)法求解勢(shì)流，提出了液體晃動(dòng)的非線性解析法，對(duì)方形剛性容器受簡(jiǎn)諧橫蕩或橫搖激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。在界面捕捉方法方面，Akyild?z等采用VOF法探究了部分充液容器內(nèi)部阻尼裝置對(duì)液體晃動(dòng)沖擊載荷的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證；Ha等對(duì)矩形箱內(nèi)的液體晃動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時(shí)采用RANS法結(jié)合VOF法進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比了k-ω與k-ε湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。國(guó)內(nèi)方面，鄧曉濤等采用位移格式的有限單元法研究液體晃蕩行為，仿真結(jié)果與線性計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性；田鑫等采用移動(dòng)粒子半隱式法對(duì)三維圓柱液艙晃蕩進(jìn)行仿真，分析了單自由度橫蕩激勵(lì)下激勵(lì)頻率對(duì)液艙晃蕩現(xiàn)象的影響；劉岑凡等通過(guò)用戶自定義函數(shù)將球罐所受隨機(jī)非線性載荷施加到計(jì)算域，采用VOF方法分析了罐體內(nèi)液體晃蕩過(guò)程，驗(yàn)證了VOF方法對(duì)儲(chǔ)液裝置晃蕩研究的適用性。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱領(lǐng)域，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也開展了有針對(duì)性的研究工作。相關(guān)研究基于VOF模型和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，采用三維CFD方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱在典型機(jī)動(dòng)載荷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的液面晃蕩情況進(jìn)行了仿真研究，并通過(guò)透明試驗(yàn)件在二自由度姿態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上的對(duì)比驗(yàn)證，證實(shí)了數(shù)值模擬方法的仿真精度。此外，在滑油箱油量實(shí)時(shí)測(cè)量方面，研究者利用VOF數(shù)值計(jì)算模型對(duì)不同過(guò)載下滑油箱中的自由液面運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，獲得了油液面傾斜程度與加速度大小的關(guān)系，為油箱油量數(shù)字式測(cè)量方法的優(yōu)化提供了依據(jù)。

然而，上述研究主要集中于常規(guī)過(guò)載工況下的油液晃動(dòng)行為分析，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱中所涉及的油液循環(huán)供回油及復(fù)雜過(guò)載等綜合工況的研究仍相對(duì)不足。特別是在負(fù)過(guò)載腔結(jié)構(gòu)存在的情況下，滑油在吸油口抽吸作用下的動(dòng)態(tài)供油過(guò)程、腔體間溢流行為以及有效供油時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等方面，尚缺乏系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究。本文正是針對(duì)這一工程需求，基于VOF方法建立了滑油箱負(fù)過(guò)載腔動(dòng)態(tài)供油的仿真分析方法，通過(guò)多工況參數(shù)化計(jì)算，系統(tǒng)分析了過(guò)載強(qiáng)度與滑油循環(huán)量對(duì)負(fù)過(guò)載腔供油特性的影響規(guī)律。

二、物理模型及計(jì)算方法

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象為某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱，其內(nèi)部通過(guò)隔板劃分為負(fù)過(guò)載腔和補(bǔ)油腔兩大功能區(qū)域。負(fù)過(guò)載腔是零負(fù)過(guò)載工況下的應(yīng)急供油單元，腔內(nèi)滑油通過(guò)吸油口進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)；補(bǔ)油腔則在常規(guī)工況下儲(chǔ)存滑油，并在重力作用下通過(guò)隔板上的補(bǔ)油孔向負(fù)過(guò)載腔補(bǔ)充滑油。負(fù)過(guò)載腔隔板上還設(shè)置有通氣孔，用于平衡負(fù)過(guò)載腔與補(bǔ)油腔之間的氣壓，防止因氣壓差導(dǎo)致的供油異常。發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱負(fù)過(guò)載腔與補(bǔ)油腔之間共設(shè)有6個(gè)溢流通道，其中2處補(bǔ)油孔半徑為16 mm，4處通風(fēng)孔半徑為2.5 mm。

在網(wǎng)格劃分方面，采用多面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散。多面體網(wǎng)格具有良好的各向同性和網(wǎng)格過(guò)渡平滑性，能夠有效減少計(jì)算域內(nèi)的數(shù)值擴(kuò)散誤差。針對(duì)滑油箱回油口、吸油口等流動(dòng)參數(shù)變化劇烈的區(qū)域，進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理，以確保捕捉到關(guān)鍵區(qū)域的流動(dòng)細(xì)節(jié)。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定最大網(wǎng)格長(zhǎng)度約為9 mm，最小網(wǎng)格長(zhǎng)度約為0.6 mm，總網(wǎng)格數(shù)約為340000，能夠在保證計(jì)算精度的前提下控制計(jì)算資源消耗。

2.2 滑油箱負(fù)過(guò)載腔供油特性數(shù)值計(jì)算方法

在考察滑油箱負(fù)過(guò)載腔供油特性時(shí)，主要研究的是潤(rùn)滑油與空氣的兩相流動(dòng)問(wèn)題。該過(guò)程中氣體和液體之間存在相對(duì)清晰的相界面，氣液兩相在過(guò)載作用下產(chǎn)生不同程度的混合與分離，故采用VOF多相流模型描述該物理過(guò)程。

VOF方法的基本思想是通過(guò)定義各相在網(wǎng)格單元中的體積分?jǐn)?shù)來(lái)描述相界面的分布與演化。對(duì)于氣液兩相系統(tǒng)，引入液相體積分?jǐn)?shù)αl，其控制方程為：

?(αlρl)/?t + ?·(αlρlv) = S_αl (1)

式中，S_αl為質(zhì)量源項(xiàng)，表示由氣液相變傳質(zhì)引起的質(zhì)量變化速率。在本模型中，氣相和液相共用一套動(dòng)量方程：

?(ρv)/?t + ?·(ρv****v) = -?p + ?·τ + ρF (2)

式中，ρ為油氣混合物的密度；v為速度矢量；p為控制體表面所受壓力；τ為應(yīng)力張量；F為體積力，在過(guò)載工況下即為法向過(guò)載力。

由于氣液兩相流體受負(fù)過(guò)載作用在滑油箱內(nèi)部劇烈晃動(dòng)，并且吸油管路和回油管路內(nèi)部的氣液兩相流體以較高速度流動(dòng)，所研究的流體處于湍流狀態(tài)，采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型進(jìn)行封閉，近壁面采用增強(qiáng)壁面方法處理?？蓪?shí)現(xiàn)的k-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基礎(chǔ)上引入了對(duì)湍流粘性系數(shù)更合理的約束，在處理旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度流動(dòng)以及復(fù)雜二次流動(dòng)方面具有更好的適應(yīng)性，適合描述滑油箱內(nèi)受過(guò)載驅(qū)動(dòng)下的復(fù)雜湍流運(yùn)動(dòng)。

2.3 邊界條件及工況分析

根據(jù)實(shí)際滑油系統(tǒng)的工作參數(shù)設(shè)置邊界條件。出口邊界為位于箱體中下部的吸油口，管徑為31 mm，采用速度出口邊界，含氣率為0，表示吸油口僅抽取純滑油；入口邊界為位于箱體上部的回油口，采用速度入口邊界，含氣率為5%，反映回油過(guò)程中攜帶的少量空氣。箱體壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，并假設(shè)箱體與外界絕熱。

潤(rùn)滑油工作溫度約為70 ℃，在該溫度下滑油的密度ρ = 959.96 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度約為7.97×10?? m2/s，動(dòng)力黏度約為0.0077 kg/(m·s)，比熱容為1845.0 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.145 W/(m·K)。空氣在70 ℃時(shí)的密度為1.02 kg/m3，動(dòng)力黏度約為2.04×10?? kg/(m·s)，比熱容為1008.5 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.029 W/(m·K)。

根據(jù)實(shí)際飛行姿態(tài)、過(guò)載及滑油循環(huán)流量的分析需求，設(shè)置了12個(gè)計(jì)算工況，涵蓋法向過(guò)載為0g、-0.5g、-1g、-2.5g四種過(guò)載條件（g = 9.8 m/s2，過(guò)載正方向?yàn)樨Q直向下，0g對(duì)應(yīng)飛機(jī)在法向呈失重狀態(tài)），以及46 L/min、57 L/min、65 L/min三種滑油系統(tǒng)循環(huán)流量，全面考察過(guò)載強(qiáng)度與滑油循環(huán)量對(duì)負(fù)過(guò)載腔供油特性的綜合影響。

三、計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同過(guò)載工況下的氣液分布特性

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于0g過(guò)載條件時(shí)，滑油箱內(nèi)油液處于失重狀態(tài)，重力效應(yīng)消失。雖然回油管路持續(xù)有滑油進(jìn)入滑油箱，但補(bǔ)油腔內(nèi)的滑油呈懸浮狀態(tài)，無(wú)法通過(guò)重力自然進(jìn)入負(fù)過(guò)載腔。隨著負(fù)過(guò)載腔內(nèi)滑油被吸油口持續(xù)抽吸，腔內(nèi)液位逐漸下降。在一定時(shí)間后，負(fù)過(guò)載腔內(nèi)滑油呈油氣兩相摻混狀態(tài)，吸油口開始抽吸到空氣，供油質(zhì)量流量出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。將過(guò)載開始時(shí)刻至質(zhì)量流量出現(xiàn)明顯波動(dòng)的時(shí)間區(qū)間定義為負(fù)過(guò)載腔的有效供油時(shí)間。仿真結(jié)果顯示，0g過(guò)載條件下負(fù)過(guò)載腔內(nèi)油氣兩相表現(xiàn)為明顯的混合狀態(tài)，氣液相界面模糊，這與其失重條件下重力驅(qū)動(dòng)的相分離機(jī)制失效密切相關(guān)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載為-0.5g、-1g、-2.5g時(shí)，負(fù)過(guò)載腔內(nèi)滑油在負(fù)向加速度作用下向隔板方向聚集，被隔板下緣攔截，通過(guò)隔板上的吸油口供入發(fā)動(dòng)機(jī)。在此類負(fù)過(guò)載條件下，油相與氣相相互分離，氣液相界面相對(duì)清晰。當(dāng)吸油口質(zhì)量流量出現(xiàn)下降、無(wú)法滿足規(guī)定流量時(shí)，認(rèn)為從過(guò)載開始至此時(shí)刻為負(fù)過(guò)載腔的有效供油時(shí)間。與0g過(guò)載工況不同，負(fù)過(guò)載條件下未出現(xiàn)吸油口抽吸油氣混合物所產(chǎn)生的質(zhì)量流量波動(dòng)現(xiàn)象，而是在負(fù)過(guò)載腔滑油耗盡時(shí)，質(zhì)量流量呈逐步降低的趨勢(shì)。

3.2 過(guò)載條件與循環(huán)流量對(duì)供油時(shí)間的影響

對(duì)不同滑油流量工況下的滑油箱進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得了各工況下負(fù)過(guò)載腔的有效供油時(shí)間。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載為0g時(shí)：循環(huán)量為46 L/min條件下，負(fù)過(guò)載腔有效供油時(shí)間為7.9 s；循環(huán)量為57 L/min條件下，有效供油時(shí)間為5.6 s；循環(huán)量為65 L/min條件下，有效供油時(shí)間為4.8 s。隨滑油循環(huán)流量的增大，負(fù)過(guò)載腔有效供油時(shí)間逐漸變短。

在負(fù)過(guò)載條件下，同樣呈現(xiàn)隨流量增大有效供油時(shí)間變短的趨勢(shì)。當(dāng)滑油流量為46 L/min時(shí)，過(guò)載由0g增加至-2.5g，有效供油時(shí)間保持在7.9 s，表明在低循環(huán)量條件下過(guò)載強(qiáng)度對(duì)供油時(shí)間的影響不顯著。當(dāng)滑油流量為65 L/min時(shí)，過(guò)載由0g增加至-2.5g，有效供油時(shí)間由4.8 s延長(zhǎng)至5.6 s，延長(zhǎng)幅度約為16%。這一現(xiàn)象表明，負(fù)過(guò)載工況改善了負(fù)過(guò)載腔吸油口的填充性，尤其在較高循環(huán)量條件下，這種改善有效延長(zhǎng)了供油時(shí)間。

綜合對(duì)比各工況下的供油時(shí)間數(shù)據(jù)可以看出：滑油循環(huán)量是影響供油時(shí)間的主導(dǎo)因素——當(dāng)滑油流量由46 L/min增大至65 L/min時(shí)，0g工況下的有效供油時(shí)間由7.9 s縮短至4.8 s，縮短了39.2%，負(fù)過(guò)載腔有效供油時(shí)間明顯縮短。而過(guò)載強(qiáng)度的影響則呈現(xiàn)非線性特征：在低循環(huán)量條件下影響微弱，在高循環(huán)量條件下則與供油時(shí)間呈正相關(guān)。

3.3 溢流影響分析

由于滑油箱隔板上存在通風(fēng)孔及補(bǔ)油孔等溢流通道，在零負(fù)過(guò)載狀態(tài)下，負(fù)過(guò)載腔內(nèi)滑油與補(bǔ)油腔內(nèi)滑油存在相互流通，進(jìn)而對(duì)有效供油時(shí)間產(chǎn)生影響。對(duì)不同工況下溢流量的計(jì)算分析表明，腔體間的溢流行為在不同過(guò)載條件下呈現(xiàn)截然不同的特征。

在0g條件下，溢流速度先穩(wěn)定在負(fù)值（代表由補(bǔ)油腔向負(fù)過(guò)載腔流動(dòng)）。這是由于負(fù)過(guò)載腔內(nèi)滑油被抽吸進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，腔內(nèi)壓力降低，導(dǎo)致補(bǔ)油腔內(nèi)滑油持續(xù)流入負(fù)過(guò)載腔。在一定時(shí)間后，隨負(fù)過(guò)載腔抽吸油氣混合物的比例增加，溢流速度的絕對(duì)值開始波動(dòng)下降。流量為65 L/min時(shí)，負(fù)過(guò)載腔內(nèi)滑油更快被抽吸到發(fā)動(dòng)機(jī)，因此比流量為46 L/min時(shí)更早發(fā)生流量下降現(xiàn)象。在-2.5g條件下，溢流速度先由負(fù)值迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎担ù碛韶?fù)過(guò)載腔向補(bǔ)油腔流動(dòng)），隨后迅速降低至接近于零。這是由于負(fù)過(guò)載的作用，使得負(fù)過(guò)載腔內(nèi)滑油通過(guò)溢流通道進(jìn)入補(bǔ)油腔。

從溢流總量的時(shí)間歷程來(lái)看，在0g條件下溢流量由0穩(wěn)步變化為負(fù)值，在供油失效時(shí)溢流總量為負(fù)值，表明總體上潤(rùn)滑油由補(bǔ)油腔流入負(fù)過(guò)載腔，流量為65 L/min時(shí)比流量為46 L/min時(shí)的溢流總量絕對(duì)值升高更快。在-2.5g條件下，溢流量先變?yōu)樨?fù)值，隨后很快升高為正值并緩慢增加，表明總體上潤(rùn)滑油由負(fù)過(guò)載腔流入補(bǔ)油腔。可見，無(wú)論是失重還是負(fù)過(guò)載條件下，腔體間溢流量隨時(shí)間的變化可近似視為線性變化。

進(jìn)一步計(jì)算腔體間的平均溢流速率，在0g條件下，吸油流量為46 L/min時(shí)的平均溢流速率比65 L/min時(shí)低29.1%。在-2.5g條件下，吸油流量為46 L/min時(shí)的平均溢流速率比65 L/min時(shí)高33.7%。這表明，過(guò)載條件與循環(huán)流量共同決定了溢流的方向與速率，進(jìn)而影響負(fù)過(guò)載腔內(nèi)的可用滑油量和有效供油時(shí)間。

溢流分析結(jié)果表明：在0g條件下，補(bǔ)油腔通過(guò)溢流通道向負(fù)過(guò)載腔補(bǔ)充滑油，有利于提升滑油箱的負(fù)過(guò)載供油能力；而在-0.5g~-2.5g的負(fù)過(guò)載條件下，負(fù)過(guò)載腔內(nèi)的滑油反而通過(guò)溢流通道向補(bǔ)油腔泄漏，減小了負(fù)過(guò)載腔內(nèi)的可用滑油量，這對(duì)供油能力產(chǎn)生不利影響。這一發(fā)現(xiàn)為滑油箱隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中溢流通道的優(yōu)化布置提供了重要的理論依據(jù)。

四、湖南泰德航空核心優(yōu)勢(shì)

4.1 公司概況與技術(shù)布局

湖南泰德航空技術(shù)有限公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上持續(xù)投入，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

經(jīng)過(guò)十余年的技術(shù)積累，湖南泰德航空成功實(shí)現(xiàn)了從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，技術(shù)實(shí)力持續(xù)提升。

4.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)核心技術(shù)與產(chǎn)品

在潤(rùn)滑系統(tǒng)領(lǐng)域，湖南泰德航空積累了深厚的技術(shù)底蘊(yùn)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。公司定位于為“兩機(jī)”動(dòng)力（航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)）提供燃油系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)，自主研發(fā)了高速齒輪泵、高低溫燃油柱塞泵、伺服調(diào)節(jié)閥、電磁閥、減壓閥、溢流閥等一系列核心產(chǎn)品。

公司研發(fā)的滑油系統(tǒng)采用復(fù)合式設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地將材料科學(xué)、流體力學(xué)與智能控制技術(shù)相結(jié)合。該系統(tǒng)采用變流量設(shè)計(jì)，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況自動(dòng)調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油供給量與壓力，確保各摩擦副始終處于最佳潤(rùn)滑狀態(tài)。滑油系統(tǒng)采用干式油槽設(shè)計(jì)，符合MIL-PRF-23699標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)集成雙級(jí)齒輪式滑油泵，主泵流量45 L/min@5000 rpm，應(yīng)急電動(dòng)泵流量18 L/min。油濾采用β≥200的高效過(guò)濾元件，配備壓差傳感器實(shí)現(xiàn)堵塞預(yù)警。

在油氣分離技術(shù)方面，公司開發(fā)的獨(dú)特油氣分離系統(tǒng)采用離心式分離器與聚結(jié)濾芯組合設(shè)計(jì)，分離效率達(dá)99.98%，滑油消耗率低于0.3 L/h。系統(tǒng)集成在線油液監(jiān)測(cè)傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)金屬磨粒（符合ASTM D6595標(biāo)準(zhǔn)）、水分含量（精度±50 ppm）及粘度變化（測(cè)量范圍5~30 cSt），為發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)防性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，采用泰德潤(rùn)滑系統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件壽命延長(zhǎng)30%以上，維護(hù)間隔提高50%，大幅降低了用戶的使用成本。

針對(duì)eVTOL等新型低空飛行器的特殊需求，公司開發(fā)了輕量化、高可靠性的潤(rùn)滑系統(tǒng)，通過(guò)多級(jí)過(guò)濾和智能溫控技術(shù)，確保潤(rùn)滑油在高溫、高負(fù)荷工況下保持性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了燃油泵和閥元件的輕量化設(shè)計(jì)，重量較傳統(tǒng)產(chǎn)品降低20%以上。

4.3 航空測(cè)試系統(tǒng)與數(shù)值仿真能力

湖南泰德航空在航空測(cè)試設(shè)備領(lǐng)域同樣具有顯著優(yōu)勢(shì)。公司依托株洲動(dòng)力谷基地的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建了模擬高低溫、持續(xù)耐久性的測(cè)試平臺(tái)，可復(fù)現(xiàn)極端工況下的系統(tǒng)性能。公司開發(fā)的航空航天地面測(cè)試設(shè)備廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)的研發(fā)驗(yàn)證和生產(chǎn)檢測(cè)。在燃油冷卻器測(cè)試方面，公司設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)能夠模擬真實(shí)工作環(huán)境，對(duì)熱交換器的換熱效率、密封性能、流量特性、耐壓能力等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行全面檢測(cè)，嚴(yán)格遵循航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足從研發(fā)驗(yàn)證到生產(chǎn)檢測(cè)的全流程需求。

在數(shù)值仿真方面，公司與中國(guó)航發(fā)、中航工業(yè)、國(guó)防科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，在滑油箱內(nèi)流場(chǎng)分析、供油特性預(yù)測(cè)、溢流通道優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面開展聯(lián)合攻關(guān)，將CFD仿真技術(shù)深度融入產(chǎn)品研發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)了仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的高效研發(fā)模式。公司在滑油箱零負(fù)過(guò)載供油特性分析、腔體溢流行為模擬等方面積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)支撐。

五、結(jié)論與展望

5.1 主要結(jié)論

本文基于VOF多相流模型和可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型，建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱負(fù)過(guò)載腔動(dòng)態(tài)供油的數(shù)值模擬方法，對(duì)0g、-0.5g、-1g、-2.5g四種法向過(guò)載工況下的滑油箱供油特性進(jìn)行了系統(tǒng)仿真分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油箱負(fù)過(guò)載腔結(jié)構(gòu)在零過(guò)載和負(fù)過(guò)載兩種工況下均能向發(fā)動(dòng)機(jī)提供短時(shí)穩(wěn)定的滑油供給。隨著負(fù)過(guò)載腔工作過(guò)程中腔內(nèi)滑油逐步減少，在零過(guò)載條件下腔內(nèi)油氣兩相表現(xiàn)為更明顯的混合狀態(tài)，而負(fù)過(guò)載條件下油氣兩相趨于分離。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬獲得了滑油箱在不同過(guò)載強(qiáng)度與循環(huán)流量工況下的有效供油能力。負(fù)過(guò)載腔有效供油時(shí)間隨滑油系統(tǒng)循環(huán)流量的增大而明顯縮短，在46~65 L/min流量范圍內(nèi)，供油時(shí)間為4.8~7.9 s。在較高循環(huán)流量條件下，有效供油時(shí)間隨負(fù)過(guò)載數(shù)值的增大而延長(zhǎng)。

（3）滑油箱負(fù)過(guò)載腔隔板上的補(bǔ)油孔與通氣孔在零負(fù)過(guò)載條件下產(chǎn)生溢流，對(duì)供油時(shí)間產(chǎn)生顯著影響。在0g過(guò)載時(shí)，補(bǔ)油腔滑油通過(guò)溢流通道進(jìn)入負(fù)過(guò)載腔形成補(bǔ)充，有利于提升供油能力；在-0.5g~-2.5g條件下，負(fù)過(guò)載腔向補(bǔ)油腔溢流，減小了可用滑油量。腔體間平均溢流速率受過(guò)載強(qiáng)度與循環(huán)流量的共同調(diào)控。

（4）VOF多相流模型結(jié)合可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型能夠有效捕捉滑油箱內(nèi)氣液兩相界面的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，為滑油箱負(fù)過(guò)載腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與供油能力評(píng)估提供了可靠的數(shù)值分析工具。

5.2 未來(lái)發(fā)展展望

當(dāng)前研究針對(duì)法向過(guò)載條件下的供油過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，未來(lái)工作可在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步深入：

多自由度復(fù)合過(guò)載工況研究：實(shí)際飛行中飛行器同時(shí)承受法向、側(cè)向和軸向過(guò)載的復(fù)合作用，多自由度過(guò)載耦合下的滑油晃蕩行為及供油特性將更為復(fù)雜，需要建立考慮復(fù)合過(guò)載的數(shù)值模型。

結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)：基于本文建立的數(shù)值模擬方法，可進(jìn)一步開展負(fù)過(guò)載腔容積、溢流通道尺寸與位置等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)負(fù)過(guò)載腔供油能力與結(jié)構(gòu)緊湊性的最優(yōu)匹配。

試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真精度提升：建立滑油箱過(guò)載模擬試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)透明試驗(yàn)件和高速攝像技術(shù)獲取過(guò)載工況下的實(shí)際氣液分布與供油數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證和校正數(shù)值仿真模型，進(jìn)一步提升仿真精度。

全系統(tǒng)耦合仿真：將滑油箱供油過(guò)程的CFD仿真與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)一維仿真模型進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)從油箱到各潤(rùn)滑點(diǎn)的全鏈路供油特性預(yù)測(cè)，為潤(rùn)滑系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面的技術(shù)支撐。

面向新一代高機(jī)動(dòng)戰(zhàn)斗機(jī)、先進(jìn)無(wú)人機(jī)及 eVTOL 等裝備的快速發(fā)展，滑油箱負(fù)過(guò)載供油技術(shù)仍需向更高可靠性、更輕量化、更寬工況適配方向持續(xù)升級(jí)。未來(lái)可通過(guò)多物理場(chǎng)耦合仿真、結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化、地面過(guò)載試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，進(jìn)一步提升仿真精度與工程實(shí)用性，推動(dòng)仿真成果向工程樣機(jī)快速轉(zhuǎn)化。隨著低空經(jīng)濟(jì)與航空裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快，滑油箱負(fù)過(guò)載供油技術(shù)將持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，在提升發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng)安全性、延長(zhǎng)極端工況供油時(shí)間、增強(qiáng)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性等方面持續(xù)突破，為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)自主可控、高性能飛行器安全可靠運(yùn)行提供持續(xù)有力的技術(shù)支撐。

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來(lái)持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過(guò)十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過(guò) GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國(guó)內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等解決方案。