氧調器流場特性研究

李 濤 甘俊杰 徐 俊 王居豪 徐 劍 李俊賢

（1.海裝武漢局駐武漢地區第七軍事代表室 武漢 430233）（2.中航工業航宇救生裝備有限公司 襄陽 441003）

1 引言

航空供氧防護裝備可以有效地抵御高空低壓與缺氧環境［1～6］對人體產生的各種影響，近百年來飛機的各項性能都在持續提高，供氧防護裝備的供氧效果和防護性能也在持續改進和完善［7～12］。新一代的電控式氧調器采用電控式雙平板肺式活門結構，要想發揮出電控的優勢，降低呼吸氣阻力，高性能的機械特性至關重要。本文針對現有氧調器的流量特性及流場情況進行分析，并根據系統要求的流量及呼吸氣阻力指標確定相應的關鍵設計參數，提出優化改進方案。

2 氧調器活門結構及建模

2.1 氧調器活門結構

氧調器活門的結構如圖1所示，活門分為A腔、B 腔，A 腔連接高壓氧源，其壓力為高壓氧源壓力，B 腔為內腔，其出口由連管連接呼吸面罩。高壓氧氣有A 腔經過錐形活門與活門座的環形間隙進入B腔，在降壓混合后，經出口流入氧氣面罩。A腔位于雙平板活門中間，通過左右兩側錐形活門進氣，因為兩側活門的尺寸相同，可以平衡高壓側A腔對活門的壓力。

圖1 氧調器活門結構示意圖

根據受力平衡條件可得氧調器活門力平衡方程：

式中：Fe為活門電機的驅動力；FB0為活門彈簧的初始壓力，103KN；Kb活門彈簧的剛性，103KN/mm；Lb為活門彈簧的壓縮量，mm。

當活門處于即將開啟的臨界狀態時，Lb為零，活門電機的驅動力Fe為

從式（1）、（2）可得出，活門電機的驅動力Fe由活門彈簧的初始壓力、剛性、壓縮量決定，而與內外腔壓差無關。

2.2 氧調器活門模型

氧調器活門的流通面積為

由氣體在絕熱等熵條件下通過收斂噴嘴的流量公式可知：

從式（3）、（4）可得出活門流量的理論公式：

3 氧調器的流場仿真

3.1 流場計算仿真區域

為了便于分析整個氧調器內部的流場，采用SOLIDWORK建立如圖2所示的氧調器內部流場區域的三維模型。

圖2 氧調器計算區域模型

3.2 仿真區域網格劃分

將簡化后的氧調器模型導入ICEM CFD 中，由于在活門處間隙很小，氣體流速快，流場非常復雜，所以對活門區域單獨進行加密。對氧調器模型采用Robust（Octree）算法，生成四面體網格，并用棱柱型網格以保證網格良好的正交性，劃分后網格數量為2574586。模型網格如圖3所示。

圖3 氧調器模型網格

模型網格采用八叉樹法進行劃分。首先，對模型的全局網格參數、面網格參數、體網格參數及棱柱網格參數進行設置；其次，對線上、局部面（活門表面）的網格參數設置，將局部網格層數設定為5層，對局部網格進行加密；最后，計算生成網格，檢查網格質量，對質量較差的網格進行廣順，使最差網格質量大于0.3，滿足對模型網格質量的要求?；铋T局部加密的網格結構如圖4所示。

圖4 活門處截面網格

4 仿真結果

4.1 流量特性及分析

氧調器在不同壓力和活門開度下的流量值見圖5。

圖5 氧調器流量特性曲線

可以看出，一個呼吸周期內的流量隨活門開度增大而增大，在相同活門開度下，流量隨著進口壓力的增大而增大。

4.2 速度特性及分析

氧調器高壓氧氣由活門進入內腔低壓區時，氣流速度變化最大，并隨著壓力的升高，氣流速度增大。當進口壓力高，出進口壓力比小于等于臨界壓力比時，活門區氣體處于超臨界流動狀態，之后在內腔內混合降速，再從腔體出口進入氧調器出口管道，管道內的氣體流速非常不均勻，流阻損失大。

圖6 為氧調器入口壓力為進口壓力為350kPa、活門開度為0.5mm 的出口管道速度云圖和速度矢量圖，從圖中可以看出從活門進入出口管道區的氣流速度極不均勻，整個出口管道區存在多個轉角，氣體流動不暢，流阻損失大。出口流速也欠均勻。

圖6 出口區速度云圖和速度矢量圖

4.3 壓力特性及分析

氧調器在活門前部為高壓區，其壓力接近進口壓力，氣體流經活門后，壓力迅速降低，為低壓區，低壓區內因流速差異大，壓力也極不均勻，如圖7所示。

圖7 氧調器出口區壓力云圖

4.4 流場特性及分析

從圖8 可看出在活門區域，氣體流動復雜，在氧調器內腔形成多個渦流區，流阻損失大。從圖9可看出，氣體在氧調器內腔流入出口管道區，截面氣體流速極不均勻，形成多個渦流區，流阻損失也非常大。

圖8 活門區流線圖

圖9 出口區流線速度矢量圖

5 結構優化

整個流場區域流速變化大，在活門區域流速變化最大。當進氣壓力大，出進口壓力比小于等于臨界壓比時，活門區域出現超臨界流動，在局部區域流速差異大。氣體從進口到活門前區域為高壓，接近進口壓力。氣體流過活門后膨脹增速降壓，在活門內腔混合后迅速降壓，到出口處已接近出口壓力。在相同進口壓力下，氧調器流量隨活門開度增大而增大。在相同活門開度下，流量隨進口壓力升高而增大。整個區域內氣體流動非常復雜，活門內腔、管道轉角處、管道變徑處有大量渦流產生，氣體流動發生分離，使得流阻增大。因活門壓力差大，整體流程短，仍可保證到滿足出口壓力要求。

根據氧調器流場區域內湍流特征明顯、存在多渦流區、流速極不均勻等特點，而現有結構中活門區域結構復雜，難以進一步優化，提出了對其出口管路進行優化的方案，如圖10所示。

圖10 氧調器優化

將出口管路優化為等直徑R=8mm 的彎管。取進口壓力分別取為70kPa、350kPa、650kPa，活門開度為0.5mm，對方案進行仿真計算。氧調器優化方案與原結構流量對比如表1所示，優化方案對其氧調器流量影響很小，這與之前理論推導得出的活門的流量主要由活門的前后壓差和活門流經截面決定相符，流道的改善對流量影響不大。

表1 雙平板肺式活門氧調器優化方案流量對比

取進口壓力分別取為30kPa、70kPa、350kPa、650kPa，對應流量分別取1.9gs-1、3.0gs-1、6.7gs-1、9.2gs-1，活門開度為0.5mm，對方案進行仿真。氧調器優化方案與原結構流量對比如表2所示，當進口壓力高時，改進方案對其出口壓力影響很小，因進口壓力遠高于出口壓力，氣體流經活門，其流動的湍流特征顯著，壓降損失主要由湍流損失組成，由于流程短，管道產生的流動損失對壓降影響很小，流道的改善對壓降影響不大。當進口壓力低時（30kPa），進出口壓差小時，氣體流動湍流特征不顯著，改進方案的出口壓力有所提高，說明其管道的優化有利于降低流動阻力，降低吸氣阻力。

從圖11 可看出，改進方案的出口管道區的流場有一定改善，渦流區域也所減少。取入口流量為6.8g/s、出口壓力為一個大氣壓，進行仿真分析，壓降如所表3所示。

表3 雙平板氧調器出口管道優化方案壓降對比

圖11 氧調器改進方案活門區和出口管道區流線圖（進口壓力為350kPa）

從表中對比可得，當出口管道入口氣流均勻時，改進方案的壓降顯著降低，因此，建議在保證出口管道功能的情況下，統一直徑，轉彎處采用彎管或倒圓角，減少管道長度，均有利于減少流阻，降低壓降。

6 結語

氧調器采用的活門結構流量大，又因其獨特的力平衡結構，活門動作更容易，響應更迅速。通過流場特性仿真，改進了氧調器的結構，穩定了流場特性，減小了流阻，降低了壓降，使后續控制的感應精度更高、響應速度更快，有利于進一步降低呼吸氣阻力，改善氧調器性能。