略说飞机油路系统的研究方法
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1冲击压力产生的原因及危害
供油泵突然全部停泵，供油泵出口的燃油在惯性的作用下继续向前流动，而后续的燃油被堵在供油泵的进口，这时供油泵出口的部分管道腾出极小空间而产生低压波，低压波则在管道造成负压，负压使这些地方的压力降至大气压以下，管子收缩。当靠近动力装置附近安装的切断阀按设计要求突然关闭时，紧贴阀门上的一层燃油受阀门所阻，首先停止了流动，流速突变为零，后面的燃油沿着管道涌来，燃油压缩，管道变形，压力升高之后，这种状况依次向后传递，使后面的各油层相继停止流动，遂造成整个管道燃油被压缩，压力升高，管壁胀大的冲击压力状况，在切断阀进口侧产生高压波，高压波与管道中原有供油压力叠加产生异常的高压力，它引起管道压强迅速升高，峰值可达管道正常工作压力的几倍至数十倍，远远超过管道系统的检验压力和极限压力。冲击压力是流体惯性造成的，它的实质是能量转换，即流体在减速的情况下将其动能转换为压能，在加速的情况下，压能转换为动能。对于一般燃油管路，流速变化1m/s所引起的水击压力值约为1MPa，汽油管路则为0.8MPa～0.9MPa。液体流速突然下降(特别是高流速的管道)所产生的冲击压力是最危险的，如突然关阀、突然停泵，可能产生很高的冲击压力。
2.1冲击压力计算所需的基础数据
冲击压力的幅值取决于管道的材料、壁厚、直径、长度、燃油的流速、密度以及阀门的关启时间等特性。进行管道冲击压力分析计算需要利用反映管道各种特征的一系列数据，所需要的数据如下所列，计算机仿真计算更是如此。管道流量、流速:设计最大流量;燃油流速。燃油的物理特性:燃油密度、运动粘度、燃油的弹性模量等。管道参数:管径、壁厚、管壁粗糙度，管壁弹性模量等。燃油系统管道主要设备布置简图:油泵台数及工作方式(并、串联)，油泵与阀门之间的距离、泄放阀的位置以及相互连接关系图等。成品附件特性:燃油泵的额定流量、工作压力;油泵进出口压力给定值及压力范围;切断阀的切断时间、调节特性;泄压阀给定压力值、不同超压百分数时的流量系数。
2.2几种新的冲击压力计算方法
计算有多种，方法也各式各样，传统的冲击压力计算模型，由于过于简化，误差较大。这里推荐几种新的冲击压力仿真计算方法:基于Flowmaster燃油管道系统冲击压力仿真计算Flowmaster软件是全球领先的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，对于各种复杂的流体管网系统，利用Flow-master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。燃油管道系统由泵、管道、接头、弯头、阀、引射泵、油滤等元件组成，这些元件在Flowmaster的元件库中均能找到各自的数学模型，数学模型用形象的示意图来代表。每个物理元件的数学模型有一个数据输入表格，它定义该元件的输入、输出及特征参数。这就为Flowmaster燃油管道系统冲击压力仿真计算提供了极大的方便。但Flowmaster作为一维流体仿真软件，与三维设计软件之间缺乏数据接口，只有通过对软件的二次开发，才能使计算模型的更新与设计更改同步。例如结合Catia、Excel等软件，对Flowmaster进行二次开发使模型从一维成为三维模型，更利于流体的三维仿真分析。基于MATLAB新的弹性水击仿真计算方法华北水利水电学院学报发表的“一种新的弹性水击计算方法”是孟安波等基于MATLAB软件提出的一种新的弹性冲击压力“e指数”计算方法，该方法不但易于将方程展开，不带来误差，而且易于建模仿真。该计算方法准确地反映了水击压力极值点及整个动态过程，同时该方法将介质摩擦阻力对冲击压力的影响考虑在内，提高了计算精度，使用方便，实用性得到了提高。因为该计算方法需要准确的估算相应的摩擦系数值，才能建立含有摩擦因子的、精确的弹性水击计算模型，提高水击计算的精度。LB方法模拟水电站水击LatticeBoltzmann(LB)方法是一种可求解偏微分方程、模拟流动现象的计算方法。自80年代末90年代初诞生以来，它以算法简单、并行度高、几何边界易处理等优点引起了人们的注意，并得到迅速发展。目前，它在非线性偏微分方程求解、多相流、多孔介质流，特别是大规模三维流场的模拟等方面显示出较大的潜力，展示了广阔的前景。这种方法主要在民用水利系统模拟水电站水击，航空燃油管道系统的仿真计算中使用。
2.3某型飞机管道系统需要计算的冲击压力
在阀门关断或开启的过程中会产生非恒定流的冲击压力，因此有必要对其产生的冲击压力进行计算和故障分析。飞机燃油管道系统的冲击压力现象是一种典型的有压管道非恒定流问题，属于弹性冲击压力计算范畴。飞机压力加油系统工作时是一个密闭的有压管道系统，若油箱内的控制活门突然全部切断时，由于加油管道进口的安装位置不同，按照产生最大冲击压力的条件，飞机顺航向左翼Ⅰ号油箱管道会出现加油系统的最大冲击压力。如果冲击压力超过了管道的承受压力，就会对系统及其管道造成损坏，因此需要对加油控制活门关断时系统产生的冲击压力值进行计算。根据压力加油系统布局，建立冲击压力计算模型如图2所示。以工作压力为0.34MPa为计算加油压力，加油控制活门成品正常关断时间为3s，计算模型采用的阀控制器作为控制元件来实现对加油控制活门的控制，阀控制器的输入参数如图3所示。计算中设置管路冲击压力波速为1038m/s，冲击压力相长为0.027s。0.34MPa加油压力下，4组油箱内的加油控制活门理论同时关闭时，Ⅰ号油箱加油控制活门处最大冲击压力值为0.603MPa，其余3组油箱加油控制活门处最大冲击压力值都没超过这个压力值，Ⅰ号油箱活门处的冲击压力。通过对系统冲击压力分析、仿真、计算表明，压力加油系统最大冲击压力出现在4组活门同时关闭状态，当加油压力为0.34MPa时，Ⅰ号油箱加油控制活门处最大冲击压力值为0.603MPa。满足最大冲击压力不超过系统检验压力要求。压力加油管道系统的冲击压力，在相同条件下，从传统计算的方法得出的结论和Flowmaster软件仿真计算得出的结论，其管道所承受的压力误差是显而易见的。基于Flowmaster软件仿真计算结果的精度高，更具有合理性。
3管道系统设计计算
由于冲击压力与管道长度成正比，在管道其它参数度相同的情况下，管道越长，越可能发生最大的冲击压力。且管道内冲击压力的大小与管道的长度成正比，减小管道的长度，可以缓和冲击压力，因此在设计中应尽量缩短管道长度以削减冲击压力。从间接冲击压力公式可看出，冲击压力相第4期施传家:飞机燃油系统管路冲击压力问题的研究35长T越长，在相同的切断阀关闭时间下，管道内冲击压力就越大，冲击压力Δp与相长T成正比，减小相长T，可以缓和冲击压力。在设计中选择切断阀时应尽量选择既符合设计要求又使启闭时间较长的成品，从而避免产生直接冲击压力并可降低间接冲击压力。在切断阀入口处增设泄压阀，采用被动的泄压方法使产生的压力增值释放掉，从而达到保护管道及切断阀零件的目的，例如波音737等系列飞机就采用这种方式。
4结论
如何把冲击压力最大值控制在检验压力范围之内，将冲击压力发生的频率和造成的危害降至最低，这是从事燃油系统设计者必须考虑的问题。
作者：施传家单位：中航通飞研究院有限公司
