MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN 1896-771X 36, s. 379-386, Gliwice 2008 MODELOWANIE PRZEPŁYWU W GAŹNIKU SILNIKA LOTNICZEGO DO OKREŚLENIA ZAGROśEŃ OBLODZENIOWYCH ANDRZEJ J. PANAS, RYSZARD CHACHURSKI, MICHAŁ FRANT, TOMASZ FAFIŃSKI Instytut Techniki Lotniczej, Wojskowa Akademia Techniczna e-mail:andrzej.panas@wat.edu.pl, Ryszard.Chachurski@wat.edu.pl Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki analitycznego i numerycznego modelowania przepływu powietrza w gardzieli gaźnika Walbro WB-37. Gaźnik ten stanowi przykład jednego z typowych rozwiązań konstrukcyjnych układu zasilania silnika lotniczego. Celem analizy było wyznaczenie rozkładów pól fizycznych do określenia zagroŝeń oblodzeniowych. Do budowy trójwymiarowego modelu numerycznego oraz rozwiązania zagadnienia obliczeniowego wykorzystano pakiet CFD FLUENT. Uzyskane wyniki pozwoliły na zweryfikowanie informacji dotyczących przebiegu procesu obladzania. 1. WSTĘP Ze względu na złoŝoność procesów fizycznych i paradoksalny często wynik wzajemnych ich sprzęŝeń (por. np. [1]) oblodzenie statków powietrznych stwarza zagroŝenia bezpieczeństwa lotu, które nie poddają się bezpośredniemu kontrolowaniu. Szczególnie paradoksalny przebieg ma zjawisko oblodzenia w gaźnikowych układach zasilania. Efekty wychładzania poprzez rozpręŝanie gazu nakładają się tam na wychładzanie spowodowane odparowaniem paliwa. Do oblodzenia powodującego wyłączenie się silnika dochodzi nawet przy temperaturze otoczenia przekraczającej 30 o C [1, 2]. W dodatku, ze względu na stosunkowo duŝe ciśnienie nasycenia pary zwiększoną rozpuszczalność wody w powietrzu, tworzenie się zatorów lodowych w tych warunkach moŝe być szczególnie szybkie. Przedstawione powyŝej fakty, w kontekście rosnącej popularności tzw. małego lotnictwa oraz potrzeby zwiększania bezpieczeństwa lotów, stwarzają uzasadnienie do prowadzenia badań dotyczących zjawisk oblodzeniowych. Na podkreślenie zasługuje przy tym to, Ŝe nadal występuje w omawianej dziedzinie potrzeba prowadzenia badań równieŝ o charakterze poznawczym. Pomimo wielu lat badań i analiz (por. np. [3]) problem trudno bowiem uznać za zamknięty. W niniejszym przypadku bezpośrednim technicznym obiektem prowadzonych badań był gaźnik Walbro WB-37 (rys. 1.a). Gaźniki takie wykorzystywane są między innymi w układach zasilania dwusuwowych silników napędów paralotni. Pod względem rozwiązań technicznych stanowi on przykład typowej konstrukcji tego rodzaju. O dokonanym wyborze przesądziły reprezentatywność konstrukcji oraz udogodnienia związane ze zorganizowaniem ewentualnych doświadczeń. Cel badań nie ograniczał się jednak tylko do badań samego
380 A. J. PANAS, R. CHACHURSKI, M. FRANT, T. FAFIŃSKI gaźnika jako takiego. Na przykładzie realizowanego zadania badawczego postanowiono przetestować metodykę badań oraz określić zakres i moŝliwości analiz oblodzeniowych z modelowaniem numerycznym. Ze względu na złoŝoność zagadnienia i wymagania trójwymiarowej geometrii modelu na obecnym etapie modelowaniem numerycznym objęto tylko zjawiska przepływu jednofazowego. Pozwala to określić udział zjawisk przepływowych w zmniejszaniu temperatury czynnika. Tłem prowadzonych analiz były rezultaty wykonanych wcześniej doświadczeń, w trakcie których stwierdzono spadki temperatury dochodzące, w wybranych punktach pomiarowych, nawet do t = -20 o C (rys. 1.b czujnik T3). 2. OKREŚLENIE WARUNKÓW OBLICZENIOWYCH I BUDOWA MODELU Pomimo prostej konstrukcji gaźnika (por. rys. 1) modelowanie przepływu w badanym układzie stanowi stosunkowo wymagający problem obliczeniowy. Wynika to przede wszystkim z braku moŝliwości ograniczenia wymiarów modelu ze względu na charakter przepływu w okolicach przepustnicy, drastycznie duŝej zmienności pola przekroju poprzecznego i nieregularności przepływu praktycznie dla całego zakresu kątów otwarcia przepustnicy. Zakres zmienności kąta otwarcia przepustnicy, definiowanego względem płaszczyzny prostopadłej do osi kanału wynosi od 25 o (maksymalne przymknięcie) do 90 o (maksymalne otwarcie). Jak potwierdziły to wyniki własnych badań doświadczalnych, największe zagroŝenie oblodzeniem występuje przy minimalnych obrotach silnika, a więc przy minimalnym otwarciu przepustnicy, najmniejsze przy obrotach maksymalnych [1, 2]. W związku z tym postanowiono wykonać obliczenia numeryczne dla trzech charakterystycznych przypadków, określonych kątami uchylenia przepustnicy odpowiednio 30 o, 60 o i 85 o. Dla tych przypadków skonstruowano modele geometryczne (rys. 2). O ile z modelowaniem geometrycznym nie było większych kłopotów, to określenie warunków obliczeniowych dla trzech zanalizowanych przypadków okazało się zadaniem trudniejszym. Ze względu na zasadę działania silnika dwusuwowego nie było bowiem moŝliwości dokonania klasycznego pomiaru masowego natęŝenia przepływu za pomocą zwęŝki. Parametr ten określono metodą pośrednią, z pomiarów prędkości obrotowej, analizy obiegu silnika i pomiarów fotogrametrycznych połoŝenia przepustnicy dla poszczególnych a) b) Rys. 1. Obiekt badań: a gaźnik Walbro WB-37-1 w widoku od strony napływu czynnika z przepustnicą w pozycji maksymalnego przymknięcia (ok. 25 o w stosunku do płaszczyzny prostopadłej do osi kanału); b fragment układu dolotowego z zaznaczonymi miejscami pomiaru temperatury w jednym z eksperymentów
MODELOWANIE PRZEPŁYWU W GAŹNIKU SILNIKA LOTNICZEGO DO OKREŚLENIA ZAGROśEŃ...381 a) b) Rys. 2. Geometria modelu 30 o : a- model kanału układu dolotowego (A, B, C zaznaczenie płaszczyzn wizualizacji wyników); b ilustracja newralgicznego fragmentu obiektu z podziałem na elementy skończone Tabela 1. Wartości obliczeniowe modelu i oszacowanie spadku temperatury Kąt otwarcia przepustnicy Prędkość obrotowa [obr./min.] Strumień masy [g/s] Uwagi /zakres pracy t 1-D [ o C] 25 o 1500 5,30 bieg jałowy -3,6 30 o 2200 7,99 zniŝanie -3,1 60 o 5900 24,1 słabe wznoszenie -2,8 85 o 8500 27,0 prawie maksymalny -2,1 zakresów pracy silnika. Zastosowano przy tym model przepływu jednowymiarowego, a przewęŝenie przepływu określono jako wyznaczone przez rzut przepustnicy na powierzchnię prostopadłą do osi kanału. Właściwości termofizyczne czynnika przyjęto jak dla powietrza. Po uwzględnieniu pojemności skokowej wynoszącej 200 cm 3, stopnia spręŝania ε = 8 [4] i załoŝeniu, Ŝe temperatura spoczynkowa jest równa 300 K, uzyskano wyniki przedstawione w tabeli 1. Dane te wykorzystano równieŝ do oszacowania zmian temperatury w przewęŝeniu dla modelu przepływu jednowymiarowego. 3. OBLICZENIA NUMERYCZNE I ANALIZA UZYSKANYCH WYNIKÓW Obliczenia numeryczne wykonane zostały przy wykorzystaniu środowiska numerycznego modelowania zagadnień mechaniki płynów FLUENT 6.2 [5]. Do ich przeprowadzenia zastosowano podział modelowanego obiektu na elementy czworościenne (FLUENT - tetrahedral) z zagęszczeniem siatki w obszarach zwiększonej zmienności parametrów. W zaleŝności od wersji obliczeń gotowa siatka składała się z : 30 o - 3556037 elementów, 60 o - 3297623 elementów, 85 o - 2683394 elementów. ObciąŜenie pamięci RAM wynosiło odpowiednio 3,24; 2,12 i 1,89 GB. Analizowano stacjonarny przepływ czynnika ściśliwego lepkiego z uwzględnieniem turbulencji w ramach jednorównaniowego modelu Spalarta-Allmarasa [5]. Dało to w efekcie zagadnienie złoŝone z sześciu równań: trzech bilansu pędu, jednego bilansu masy, jednego bilansu energii i jednego dla turbulencji [5, 6]. Na powierzchniach odpowiadających ściankom gaźnika oraz przepustnicy załoŝono warunki brzegowe: adiabatyczne dla przepływu
382 A. J. PANAS, R. CHACHURSKI, M. FRANT, T. FAFIŃSKI ciepła, brak przepływu masy i zerowanie się składowej prostopadłej prędkości. Na powierzchni wlotu zadana została wartość nadwyŝki ciśnienia w stosunku do powierzchni wylotowej dobrana tak, by uzyskać zgodność masowego natęŝenia przepływu z obliczeniami analitycznymi. Typowa liczba iteracji wynosiła ok. 2000. W wyniku obliczeń uzyskano przestrzenne rozkłady pól parametrów fizycznych przepływu. Na rys. 3 5 przedstawiono rozkłady pola temperatury i pola prędkości w płaszczyźnie symetrii kanału (płaszczyzna cięcia por. rys. 1) dla trzech analizowanych przypadków obliczeniowych róŝniących się kątem otwarcia przepustnicy. Dla zobrazowania efektów związanych z trójwymiarowością przepływu na rys. 5 pokazano rozkłady temperatury w przekrojach poziomych A, B i C dla kąta otwarcia przepustnicy 30 o. Natomiast w tabeli 2 zestawiono wartości charakterystyczne maksymalnych lokalnych prędkości i maksymalnych lokalnych spadków temperatury w analizowanym przepływie, wyróŝniając dodatkowo przekrój odpowiadający lokalizacji czujnika T3 z badań doświadczalnych. JuŜ pobieŝna ocena wyników obliczeń numerycznych wskazuje na istotną rolę efektów związanych z trójwymiarowością przepływu. Dotyczy to zarówno obrazu jakościowego, jak i ilościowego. Lokalne wartości spadków temperatury w przepływie trójwymiarowym są, co do wartości bezwzględnej, kilkakrotnie wyŝsze od wartości oszacowania jednowymiarowego dla kątów uchylenia przepustnicy 30 o oraz 60 o. Dla przypadku 85 o róŝnica jest jeszcze większa. Miejscowe przyspieszenia ruchu płynu są wynikiem dynamicznego spiętrzania przepływu pojawiają się stosunkowo duŝe wartości składowych prędkości prostopadłych do osi kanału. Warto równieŝ zwrócić uwagę na lokalizację zimnych obszarów tuŝ za przepustnicą przy ściance kanału dla mniejszych kątów otwarcia i na osi przepustnicy dla prawie pełnego jej otwarcia. Ewentualne wytrącanie się lodu w tych rejonach moŝe grozić zablokowaniem przepustnicy. O ile odstępstwa ilościowe pomiędzy rezultatami jednowymiarowego modelowania analitycznego i trójwymiarowego numerycznym nie budzą zdziwienia, to zastanawiać moŝe fakt braku regularności w zmianach maksymalnych prędkości i maksymalnych spadków temperatury dla poszczególnych przypadków. Zgodnie z danymi literaturowymi [1] największe lokalne prędkości, a zatem największe spadki temperatury i największe zagroŝenia oblodzeniowe, występują dla małych otwarć przepustnicy. Obliczenia analityczne jednowymiarowe obraz ten potwierdzają, natomiast w obliczeniach numerycznych wyznaczono dla przypadku 85 o uchylenia przepustnicy wartość prawie taką samą jak dla 30 o. Jest to jednak wyjątek niepotwierdzający reguły, gdyŝ na podstawie samej tylko wartości temperatury nie moŝna przesądzać o zagroŝeniu oblodzeniowym. W przypadku przepływu z przepustnicą przymkniętą przez obszar niskiej temperatury (wysokiej prędkości) przepływa większość strumienia masy płynu, a przy duŝym otwarciu tylko niewielka jego część. W związku z powyŝszym w tabeli 2 wyróŝniono drugą wartość dla przypadku 85 o -go uchylenia przepustnicy. Charakteryzuje ona dominujące wartości spadku temperatury w newralgicznym obszarze przewęŝenia. Z punktu widzenia prowadzonej analizy procesów oblodzeniowych Tabela 2. Porównanie wybranych wyników obliczeń numerycznych wartości lokalne Prędkość t maks Uwagi maks. [m/s] [ o C] Kąt otwarcia przepustnicy t maks dla przekroju T3 [ o C] 30 o 209-22 nad / pod kraw. przepustnicy -5... 0 60 o 172-15 nad / pod kraw. przepustnicy -13... -2 85 o 150-13 nad osią przepustnicy -8... -1 85 o 191-20 na osi przepustnicy j.w.
MODELOWANIE PRZEPŁYWU W GAŹNIKU SILNIKA LOTNICZEGO DO OKREŚLENIA ZAGROśEŃ...383 Rys. 3. Rozkład temperatury (góra) i prędkości wypadkowej (dół) przepustnica 30 o Rys. 4. Rozkład temperatury (góra) i prędkości wypadkowej (dół) przepustnica 60 o Rys. 5. Rozkład temperatury (góra) i prędkości wypadkowej (dół) przepustnica 85 o
384 A. J. PANAS, R. CHACHURSKI, M. FRANT, T. FAFIŃSKI A B C Rys. 6. Porównanie rozkładów temperatury w trzech płaszczyznach cięcia A, B i C (por. Rys. 1.a) dla kąta uchylenia przepustnicy 30 o Rys. 7. Rozkłady temperatury w przekrojach prostopadłych do osi kanału odpowiadających połoŝeniom termoelementów pomiarowych T2 i T3 z badań doświadczalnych (por. Rys. 1.b) istotna jest, oprócz wartości lokalnych spadków temperatury, równieŝ informacja dotycząca ilości płynu z ogólnego strumienia doznającego wychłodzenia. Przy rozpręŝaniu powietrza wykrapla się woda, a jej ilość zaleŝy od strumienia czynnika doznającego przemiany [1]. Dla przymkniętej przepustnicy (rys. 3) większość strumienia płynu przepływa przez obszary niskiej temperatury obszary przemian rozpręŝeniowych. Uzyskane wyniki, pomimo ograniczenia ich zakresu do przepływu jednofazowego, pozwalają zatem na przeprowadzenie analizy jakościowej bardziej złoŝonych procesów oblodzeniowych. Przy analizie rozkładów przestrzennych zauwaŝyć naleŝy, Ŝe zróŝnicowanie pól przepływu w poziomie jest globalnie mniejsze od róŝnicowania w przekrojach pionowych (rys. 6). Jak widać to na rys. 3 6 obszary wysokiej prędkości i niskiej temperatury są zlokalizowane blisko przepustnicy i w zasadzie nie sięgają miejsca, w którym zlokalizowano termoelement pomiarowy T3. Przypomnieć naleŝy, Ŝe ten czujnik zarejestrował spadek temperatury 19 o C w doświadczeniu przy prawie całkowicie zamkniętej przepustnicy. Zestawienie tych dwóch faktów nie tylko potwierdza istotną rolę drugiego z mechanizmów wychładzania płynu poprzez odparowywanie aerozolu paliwowego ale pozwala się zorientować w skali zjawisk. Według danych z tabeli 2 maksymalny spadek wyznaczony dla odpowiedniego przekroju (por. rys. 7) w obliczeniach numerycznych sięgał ledwie 5 o C. Uzyskane wyniki potwierdzają potrzebę poszerzenia zakresu modelowania o przemiany fazowe aerozolu paliwowego i wodnego (dla atmosfery wilgotnej mokrej). Niestety,
MODELOWANIE PRZEPŁYWU W GAŹNIKU SILNIKA LOTNICZEGO DO OKREŚLENIA ZAGROśEŃ...385 stwierdzona duŝa zmienność pól w newralgicznych obszarach przepływu stwarza obawy co do wiarygodności oceny ilościowej. Na podstawie obecnych rezultatów moŝna jednak podjąć próby oszacowań w ramach modelowania analitycznego. W tym kontekście małe obliczeniowe wartości spadku temperatury w kontrolnych przekrojach pomiarowych dają podstawę optymistycznej oceny przewidywanej wiarygodności oszacowań. WaŜny staje się zatem równieŝ i uzyskany w obecnym modelowaniu obraz ilościowy. Odnosząc się ponownie do wyników ilościowych, warto dokonać ich porównania z danymi monografii [7]. Dla przewęŝenia gardzieli określono tam typowe wartości prędkości przepływu wynoszące od 80 do 90 m/s przy obrotach maksymalnych. Uzyskane w obliczeniach wartości prędkości w okolicy dyszy paliwowej gaźnika WB-37-1 są znacznie niŝsze. 4. PODSUMOWANIE Celem przedstawionej w niniejszej pracy analizy było nie tylko rozpoznanie zjawisk fizycznych i określenie ich parametrów dla konkretnego obiektu technicznego, ale równieŝ sprawdzenie metodyki badań. Obiekt badań to układ zasilania dwusuwowego silnika paralotni z gaźnikiem Walbro WB-37-1 a tłem realizowanego projektu są zjawiska oblodzenia statków powietrznych. W swoim zakresie metodologicznym przeprowadzone analizy potwierdziły przydatność zastosowanych sposobów i procedur postępowania. Przypomnieć naleŝy, Ŝe tworząc model i wykonując obliczenia, połoŝono nacisk na moŝliwie wierne odtworzenie trójwymiarowej geometrii rozwaŝanego układu. Pozwoliło to na uzyskanie zasadniczo odmiennego obrazu zjawisk niŝ w przypadku analitycznego modelu jednowymiarowego. Numerycznie modelowano jednofazowy przepływ powietrza traktowanego jako płyn ściśliwy, lepki, z modelem turbulencji Sapalrta-Allmarasa. Na obecnym etapie modelowania nie uwzględniono zjawisk związanych z przemianami fazowymi. W obliczeniach stwierdzono znaczne zróŝnicowanie przestrzenne pól przepływu i występowanie duŝych gradientów. Uzyskane wyniki pozwoliły na określenie stref gaźnika najbardziej naraŝonych na oblodzenie i stworzyły podstawę do dalszych analiz jakościowo-ilościowych. Wyznaczone numerycznie charakterystyki ruchu płynu zostaną wykorzystane do badania zjawisk przepływu mieszanki paliwowej w ramach modelu przepływu dwufazowego ze sprzęŝeniem 1.rzędu [8]. To, co jednak najwaŝniejsze, to fakt potwierdzenia paradoksalnie duŝych zagroŝeń oblodzeniowych przy stosunkowo wysokich temperaturach atmosfery. Świadczą o tym uzyskane wyniki liczbowe. Ich rozbieŝność z danymi doświadczalnymi pozwala przyporządkować gros spadku temperatury zjawisku odparowywania paliwa i ewentualnie wody aerozolu atmosferycznego. Prezentowane wyniki uzyskano w ramach realizacji pracy finansowanej ze środków na naukę w latach 2006-2008 jako projekt badawczy nr 4 T12D 017 29. LITERATURA 1. Kowaleczko G., Panas A. J., Chachurski R. i in.:oblodzenie statków powietrznych. Warszawa: Wyd. ITWL, 2005. 2. Chachurski R.: Analiza moŝliwości wystąpienia oblodzenia lotniczych zespołów napędowych w warunkach polskich. Journal of KONES Powertrain and Transport 2007, Vol. 14, No 4, p.131-138.
386 A. J. PANAS, R. CHACHURSKI, M. FRANT, T. FAFIŃSKI 3. Kochański A.: Oblodzenie statków powietrznych. Lwów: Wyd. Instytutu Szybownictwa i Motoszybownictwa, 1938. 4. Wiśniewski S.: Termodynamika techniczna. Warszawa: WNT, 1986. 5. FLUENT 6.2 User s Guide. Lebanon NH: Fluent Inc., 2005. 6. Ferziger J. H., Perić M.: Computational methods for fluid dynamics. Berlin: Springer, 2002 7. DzierŜanowski P., ŁyŜwiński M., Szczeciński S.: Napędy lotnicze : silniki tłokowe. Warszawa: WKŁ, 1981 8. Crowe C. T. ed.: Multiphase flow handbook. Boca Raton: Taylor & Francis, 2006. MODELLING OF AN AIRCRAFT CARBURATOR VENTURI FLOW FOR ICING THREAT ANALYSES Abstract. The fluid flow in Walbro WB-37 carburator venturi is discussed. The analysed carburator exemplifies one of typical solutions for the aircraft engine induction systems. Selected regimes of the engine operation are considered. The flow is modelled in both analytical and numerical manner. However, the present work is focussed on numerical calculations. A 3-D compressible viscous fluid flow is analysed applying a CFD Fluent software. Boundary conditions have been developed analytically using some experimental data. As a result distributions of the flow parameters for the selected model cases have been obtained (comp. e.g. Fig. 1.b). Despite the preliminary character of the analysis it confirms the notion that the carburator icing is not confined to cold weather only. Severe icing may occur even in situations when the ambient air temperature is relatively high (between ten and twenty Celsius degrees or even more). In the nearest future the obtained data will be applied for a more sophisticated study of a two-phase flow phenomena including tracing water and fuel droplets.