贾志强， 赵知辛*， 张昌明， 郭 辉， 雍虎军
(1.陕西理工大学 机械工程学院， 陕西 汉中 723000；
2.中航飞机股份有限公司 长沙起落架分公司， 陕西 汉中 723000)
起落架缓冲器的主要作用是有效吸收和耗散飞机着陆和滑行过程中因振动冲击产生的能量。油气缓冲器因具有较高的能量吸收效率而被现代飞机起落架广泛采用，其设计对起落架的缓冲性能起重要作用[1-2]。在缓冲器性能研究中，M.Bharath等[2]利用计算流体动力学(CFD)方法研究了油气缓冲器孔板与腔室的几何形状参数对缓冲器性能的影响，Jiao Fu-jun[3]利用FLUENT模拟了油液在阻尼孔内的动态流动过程，并结合理论计算方法对缓冲器阻尼能量损失进行了分析。Shu Ning等[4]对试验缓冲器内部流场进行了数值模拟，研究了温度对起落架缓冲器阻尼特性的影响。Mahammad Ayaz Ahmad等[5]提出了一种起落架油气缓冲器的综合设计方法，研究了空气弹簧力和阻尼力随行程的变化规律。以上研究大多以油液单相流动为基础对起落架油气缓冲器阻尼特性进行研究，较少考虑缓冲器运动过程中内部油气两相流动机理对阻尼特性的影响。
起落架油气缓冲器与车辆油气悬架原理类似，一些学者以油气两相流数值模拟为基础对车辆悬架缓冲性能进行了研究。张沙等[6]利用FLUENT建立某型自卸车油气悬架的气液两相流模型，模拟了悬架拉伸和压缩过程中其内部瞬态流场特性。邓佩瑶[7]考虑到氮气在油液中的溶解效应，通过UDF在流体连续性方程中加入源项的方法对CLSVOF(coupled level set and volume-of-fluid)方法进行改进，通过试验验证了改进CLSVOF方法的准确性与有效性。Wu Wen-guang等[8]利用CFD方法并结合VOF方法对油气悬架内部油气两相流动进行了数值模拟，研究了瞬态油气两相流流动特性，确定油气悬架阻尼力和刚度力，同时分析了温度、油液粘度、氮气溶解度、悬架振动速度等因素对油气悬架非线性动力学特性的影响。以上关于车辆油气悬架内部油气两相流动的相关研究验证了以油气两相流数值模拟为基础的缓冲性能研究的可行性与优势。
本文利用动网格技术结合UDF方法处理计算域边界运动与网格变形问题，利用CLSVOF方法捕捉气液两相运动界面，采用Peng-Robinson真实气体模型模拟气相(氮气)行为，对缓冲器内部油气两相流动进行了瞬态数值模拟，并以此为基础对缓冲器阻尼特性进行研究。
1.1 油气缓冲器结构与工作原理
图1为某型飞机起落架油气缓冲器结构示意图，某工况下缓冲器的行程速度曲线如图2所示，在缓冲器运动过程中，活塞杆相对外筒上下运动，在整个过程中的运动规律为衰减的振荡运动。
图1 油气缓冲器示意图 图2 缓冲器行程速度时间曲线
1.2 气体的状态方程
在对缓冲器内部气液两相流进行数值模拟时，需要选用合适的气体模型模拟氮气行为，对于理想气体定律，因没有考虑气体分子间的相互作用，预测气体状态的准确性随着气体压力的升高而降低。在实际工况下，因活塞压缩，氮气压力和温度会剧烈变化，使用真实气体模型能更好地模拟氮气状态变化[9]，数值模拟中采用Peng-Robinson真实气体模型，其方程为
(1)
其中p为压力，α(T)为温度相关的空间因子，V为氮气体积，r为比气体常数，T为温度，a、b为常数。
1.3 阻尼力计算
缓冲器工作过程中，油液通过主油孔与回油孔时都会产生阻尼力，阻尼力的工程计算公式[10]为
(2)
其中Fh为整个缓冲过程中的总阻尼力，ρoil为油液密度，Am为缓冲器主油腔压油面积，Ar为缓冲器回油腔压油面积，Aom为主油孔面积，Aor为回油孔面积，Cdm为主油孔流量系数，Cdr为回油孔流量系数，n为回油孔数目，v为缓冲器活塞杆运动速度。
缓冲器压缩过程中油液高速流经主油孔与回油孔时会产生阻尼力，本文通过对缓冲器内部油气两相流数值模拟得到流场压力，进而由油孔两侧的压力差计算得到阻尼力，具体可由下式确定[11]：
Fh=Fhm+Fhr=Δpon·Ao+Δpnr·Ar=(po-pn)·Ao+(pn-pr)·Ar，
(3)
其中Fh为总阻尼力，Fhm为主油孔阻尼力，Fhr为回油阻尼力，Ao为主油腔内径面积，Ar为回油腔内径面积，po为主油腔压力，pn为氮气腔压力，pr为回油腔压力。
为了对工程计算方法与数值计算方法得到的阻尼力计算结果作对比分析，根据飞机设计手册中流量系数的估算方法，在工程计算中给定主油孔流量系数为0.695，缓冲器压缩与拉伸过程回油孔流量系数分别为0.652与0.694[10]，结合式(2)可得到定流量系数下油液阻尼力的工程计算结果。
2.1 模型设计与网格划分
(a)计算域整体网格 (b)主油孔区域网格 图3 缓冲器计算域网格模型
考虑到缓冲器结构的对称性，取其内部流体域中间对称面作为计算域，图3(a)为利用ICEM CFD对计算域进行网格划分得到的网格模型。考虑到主油孔与回油孔区域流场较为复杂，故对此区域网格进行局部细化处理，图3(b)为主油孔区域网格局部放大图。油孔区域为结构化网格，其他区域为非结构化网格，网格数约75万。
2.2 流体控制方程
本文基于有限体积方法对流体控制方程进行求解，描述流体运动的质量、动量与能量守恒方程可以表示为如下通用形式[12]：
(4)
其中ρ为密度，U为速度矢量，φ为通用变量，可以代表U、T等求解变量，Γφ为广义扩散系数，Sφ为广义源项。
2.3 计算设置
为了对缓冲器内部瞬态油气两相流动过程进行较精确模拟，本文采用CLSVOF方法对油气两相界面进行捕捉。CLSVOF方法可以更准确计算气液两相界面法向量与曲率并能实现体积和质量守恒[13]，在复杂气液两相流的准确计算方面有显著优势。
缓冲器在压缩过程中氮气腔与主油腔体积会相应改变，利用动网格技术结合UDF方法处理计算域边界运动与网格变形问题。动网格计算方法选用弹性光顺法与局部网格重划法以保证在变形与运动过程中网格的质量。
利用FLUENT对缓冲器内部瞬态油气两相流进行数值计算，表1为CLSVOF方法参数设置，表2为瞬态计算参数设置。
表1 CLSVOF方法参数设置
表2 瞬态计算参数设置
2.4 数值模拟结果及分析
图4为缓冲器运动过程中对应0.12、0.25、0.35、0.44、0.65、0.95 s这6个时刻油液体积分数云图，由于计算结果云图的对称性，故文中只显示了对称区域云图。图4(a)为缓冲器处于相对静止状态时油气两相分布图，红色区域(下方)为油液，蓝色区域(上方)为氮气，绿色区域为两相界面。缓冲器压缩过程对应时间历程为0.12～0.44 s，运动速度在短时间内有较大变化，密闭空间中氮气被急剧压缩，主油腔压力增大使得油液从阻尼孔中流出与氮气混合。综合观察图4(b)、(c)、(d)，可以看到油液从阻尼孔喷射出去后与氮气腔上壁面接触碰撞，并在重力作用下从上壁面散落下来，油气两相相互夹带运动，部分氮气经回油孔进入回油腔油液中。随着缓冲器进一步压缩，氮气腔中湍流流场继续发展，在油液粘性力、表面张力、重力的共同作用下，油液大量附着在氮气腔壁面并沿着壁面向下运动，而氮气腔中间区域出现氮气空洞。0.45～0.95 s时间段对应缓冲器拉伸过程，此过程活塞杆反向运动速度相对较小，使得回流油液的流量较小，从图4(e)、(f)中可以看到油液在氮气腔下部区域聚集的现象。
(a)0.12 s (b)0.25 s (c)0.35 s (d)0.44 s (e)0.65 s (f)0.95 s图4 油液体积分数云图
时间历程中0.44 s与0.95 s分别对应着活塞压缩过程的结束时刻和拉伸过程的结束时刻，图5为0.44 s与0.95 s时缓冲器氮气腔区域温度场云图。从图中可以看到，在缓冲器运动过程中，氮气被持续压缩，在压缩过程结束时氮气集中区域温度较高，而油液集中区域温度较小。随着氮气与油液之间流动传热过程的进行，当拉伸过程结束时，流场温度有较大下降，并趋向均匀分布状态。
(a)0.44 s (b)0.95 s图5 温度场云图
图6 油液阻尼力-时间曲线
图7 油液阻尼能量损失-时间曲线
采用工程计算方法(公式(2))和基于流场压力数值计算(公式(3))得到的油液阻尼力随时间变化曲线计算结果如图6所示，可以看到，工程计算与数值计算结果对应曲线变化趋势基本一致，但在局部存在差异。工程计算得到的阻尼力峰值最大值为1.38×106N，而数值计算结果油液阻尼力最大值为1.01×106N，即前者大于后者；
通过数值模拟获得的阻尼力峰值对应的时刻滞后于工程计算结果峰值，即存在一定的迟滞性。
相关研究[14]表明随着缓冲器活塞杆运动速度剧烈增大，腔内压力大幅上升，油液之间的相互作用力增大，在活塞压缩阶段，油液来不及通过主油孔而被挤压，出现阻塞流现象，所以阻尼力会有迟滞性。对于缓冲器拉伸过程，因活塞杆运动速度相对较小，且流场压力相对于压缩过程有较大程度的减小，故阻尼力的工程计算结果与数值计算结果曲线之间差别很小。
缓冲器在整个运动过程中，油液流经主油孔与回油孔会产生油液阻尼能量损失。对油液阻尼力在缓冲器位移上进行积分，可以得到能量损失变化值[4]，图7为油液阻尼能量损失随时间变化曲线。可以看到在缓冲器压缩过程中，油液流经主油孔与回油孔产生较大的能量损失，最大值为27 561 J；
对于拉伸过程，阻尼力与缓冲器运动位移相对较小，故远低于压缩过程油液阻尼能量损失值，最大值为584 J，且曲线较为平缓。
本文对起落架油气缓冲器内部瞬态油气两相流进行数值模拟，并以此为基础对缓冲器阻尼特性进行了研究，综合本文分析可得到如下结论：
(1)缓冲器运动过程中，油液以湍射流形式从主油孔流出，并与氮气腔上壁面碰撞，出现了油气两相混合，附壁流动等复杂现象，并涉及复杂的油气两相流动传热过程。
(2)基于流场分析计算得到的油液阻尼力峰值低于定流量系数时的工程计算结果，且具有一定的迟滞性；
缓冲器压缩过程产生较大油液阻尼能量损失，最大值为27 561 J，拉伸过程油液阻尼能量损失值相对较小。