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管路仿真在不同领域的应用

一、飞机上的管路仿真

1、飞机燃油系统管路冲击压力问题

研究背景

飞机燃油系统工作时，它是一个密闭的有压管道系统，由于外界因素，如阀门

骤然关闭、燃油选择阀切换供油方向、燃油泵故障突然停止时，在管道长度较大

的情况下，流体速度发生突然变化引起燃油动量骤然变化，作用在燃油管道上的

压强就会局部猛增，并以压力波的形式在管内迅速传播和往返，不断捶击管壁，

造成管道的振动和噪音。发生严重的冲击压力会造成燃油系统管道爆裂、管接头

脱落断开、阀门破坏等故障，影响飞机飞行安全。

冲击压力的计算和研究方法

冲击压力计算所需的基础数据：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。④燃油系统管道主要设备布置简

图：油泵数及工作方式(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。

几种仿真计算方法：

①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。

②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。

参考文献：《飞机燃油系统管路冲击压力问题的研究》施传家

2、基于FLowmaster的飞机压力加油系统管路设计仿真

计算仿真设定条件

(1)根据已有压力加油系统的初步构型，搭建仿真模型。系统管路布局差异、管路

走向、三通连接走向、各附件的损失系数等对仿真分析结果有着重要影响。

(2)假设压力加油源压力恒定，设其表压力为0．345MPa，

(3)假设选定燃油型号为KeroseneNominalProperties(775kg／m3)，温度为20℃t

(4)在通往两机翼油箱的加油管路上设有限流孔以达到左右油箱平衡加油的目

的

(5)压力加油系统：飞机设有左右机翼四个整体油箱，左右各2组油箱，I组油箱

载油量为4900kg，II组油箱载油量为5100kg，飞机满油油量为20000kg。飞机

从空油箱加油到满油20000kg的时间不超过20min，加油管径可保证加油系统导

管内的燃油流速不大于7m／s，进入油箱的燃油流速不大于lm／s；

(6)假设油箱大小：I组和II组油箱装载满油时高度均为0．78m，I组油箱的横

截面积，II组油箱的横截面积

，翼展长为40m。

仿真内容

计算内容

本报告现阶段仅针对正常压力加油状态下进行仿真计算，涉及内容：(1)同时向

4组油箱加油满油限流孔匹配；(2)压力加油满油时间计算。

管路直径理