卫小杰
航空工业陕飞 陕西省汉中市 723000
摘要：随着科技不断发展，我国的航空航天事业在不断进步，对于航空刹车机轮的研究也在不断深入。本文首先对航空刹车机轮和刹车系统进行相关介绍，接下来使用Fluent软件来进行简单的数据模拟，对象为简单化的航空机轮内部腔体在自然条件下发生的对流情况，简单分析出航空刹车机轮的内部能量运动特点。
关键词：航空刹车机轮内部腔体；中间环形狭缝瑞利数；Fluent
一、引言
在我们已知的最初建造出飞机的时候，机身上就已经携带有航空机轮和刹车装饰了，在大概80至90年以前，飞机的机轮大多数情况下都是使用的住铸镁合金材料制造，从上世纪60年代左右开始大范围应用锻铝合金机轮，直至80年附近才将航空刹车机轮的材质变更为精密模锻铝合金，在那个时候航空刹车机轮还是采用的轮毂加活动轮缘结构，后来由于飞机体型变大，功能变多才诞生了更多结构模型。
二、航空机轮和刹车系统
在上个世纪飞机的刹车系统基本都是采用气压来进行驱动，早期的刹车装置中包括了摩擦快、制动鼓以及气压胶囊，方法是通过气压胶囊来加压曾力给摩擦块，来让摩擦块与制动鼓咬紧从而形成相对摩擦来实现刹车效果。二代刹车装置是钳盘式，这种装置类似于我们现在的小型汽车，其实一开始它也是气压驱动，不过后来因为战争的原因，催生航空工业发展，得以制造初应用液压系统、高压轮胎以及盘式刹车，这些新技术无疑在战争中增加了胜率，在战争结束后应用于生活中使得航空行业迅速崛起。航空飞机的起落架也就是航空机轮在一开始是无法收起的，这非常影响飞机的占地空间大小以及飞行速度，这个问题很快用“同轴多盘”得以解决并且延续至今也没有什么太大的改变。
航空飞机在降落刹车时是会与地面摩擦产生巨大的热量，所以航空机轮的材质就决定了航空机轮在遇到高温环境时能够拥有更好的抗干扰能力，让飞机能够整常运行，故航空机轮从最开始的铜基材料变为铁基再最终变为碳刹车，其实最初碳刹车就是被用在军工上的，它拥有者更轻的重量和更高得比热容以及热稳定性，所以能够在高温环境下高正了航空机轮得以正常使用。对于一些短程运输工作来说，一般的飞机其实还可以使用一种钢刹车方式，钢相比于碳来说优点在于不容易受潮和不亲水，同时造价还比碳刹车便宜三分之一，所以在潮湿环境中钢刹车就更受青睐，当然钢材本身比较重，所以通常用在短程运输上。
最开始飞机被制造出来时是不具备防滑洗系统的，这直接导致如果遇见潮湿和冰面跑到很容易出现刹车锁死接轮胎打滑的情况，刹车效率极低。这个问题被不断改善，从50年代Dunlop Aviation发明的Maxaret，到60年代Hydro Aire研制出来的Mark Ⅱ调制防滑刹车系统，再至73年产出的Mark Ⅲ系统，78年的Mark IV。以上这几个系统全部都是用机械或者是液压机械的方法来使得驾驶员刹车与刹车装置产生联系。最新的刹车系统升级到Mark V，它是一种四轮电传刹车控制架构，利用电信号传递信息给刹车控制单元来进行输入，然后刹车控制单元传信号给断流阀提，单得单论刹车控制阀实现了压力供应，这种电传刹车控制架构在实际应用中表现得非常稳定，展现出最高值的刹车利用率。[1]
现代人对飞机的要求是越来越高，所以人们对于航空刹车机轮刹车系统的研究逐渐向着集成化、智能化、全电刹车和多余度方向靠近。多余度，指的是现在机轮刹车系统的发展方向就是电传控制，可以通过设置供压余度、刹车装置余度、控制系统余度和控制盒中软件余度等来提供系统的安全性和可靠性；集成化。现代飞机的地面减速功能一般可以由地面减速板、发动机反推和机轮刹车系统等共同完成，同时还需要起落架、方向舵等状态交联，这就要求实现多个系统信息互联，它们之间协调动作，达到安全作用；智能化。机轮刹车系统的工作环境决定了其复、非线性和不确定性，对控制技术提出了很高的要求，不断发展的模糊控制、神经网络等现代控制技术，为机轮刹车系统的发展提供了技术支持；全电刹车。液压刹车存在“液压油容易泄漏、引发火灾、难以维修”等难以克服的缺点，基于这些缺点，早在20世纪80年代美国已开始全电刹车的研究和试验，波音787现已完全取消集中式的液压动力方式，采用多余度EMA的全电刹车系统，A380上正常刹车采用传统的供压系统，备用刹车系统采用分布式电静液作动EBHA。试验和实际应用均表明，全电刹车必然是下一代飞机高性能刹车系统。
三、Fluent模拟
（一） 研究对象
本文所研究的对象来源于航空刹车机轮，其结构如图1所示，通常包括有轮胎、轮毂、缸座、刹车装置等。由于机轮内部结构较为复杂，为了研究机轮内部环形狭缝间对流换热现象，将机轮系统进行简化，并抽取流体计算域如图2所示，模型主要包括有刹车装置与轮毂内侧间腔体，通风孔腔以及两端延伸流域，延伸部分是为了捕捉流体流出后的流动状态，同时减少端面边界条件对内部流动的影响。表1为模型相关尺寸
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（二）数学模型
针对自然对流的问题，其数学描述本质上是对流传热的数学微分方程式，对自然对流问题的求解也即数学微分方程的求解。由雷诺输运定理推出三维稳态无内热源的守恒型控制方程如下：
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式中，u、v、w——分别为 x、y、z 方向上的速度；μ——动力粘度；g——坐标轴；z——方向的重力加速度；H——流体内能；λ——导热系数。
在自然对流中，瑞利数Ra 的作用和强制对流中雷诺数Re 的作用相当，作为流体流动状态的判据。其定义为格拉晓夫数与普朗特数的乘积，数学表达式为：
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式中，g——重力加速度；αv——热膨胀系数；α——热扩散系数；υ——运动粘度；△t——温度差；l——特征长度。由于模型的复杂性，特征长度l的选取以所需关注的区域特征为依据，选取狭缝宽度δ，内外半径RO、RI。
（三）计算方法
利用ANSYS商业软件包中的Flent模块，湍流模型选取 Realizable 《航空精密制造技术》2019年第55卷第1期K-epsilon，近壁面函数采用 Enhanced Wall Treatment。其次对流体密度的处理，考虑到流体与热源壁面间温度差太大，并未使用 Boussinesq 假设，而是采用 Incompressible Ideal Gas。边界条件除了两端流体出口为 Pressure Outlet 外，其余均为 Wall 壁面。压力 - 速度耦合方程的求解采用默认的 Simple 求解算法，由于是由浮力驱动的自然对流，压力方程的离散格式采用体积力加权（Body Force Weighted），其余均采用二阶精度的迎风格式。[2]
（四）结果分析
本文通过改变重力加速度的值，以获得不同瑞利数下的自然对流流动状态。分别取加速度值： 0.0981、 0.981、9.81、98.1、981、9810m/s2 作为 6 种工况进行仿真计算，计算结果如图 3 所示，其所示是模型纵切面上的温度场。从图中可以看出，刹车盘面作为热源壁面，加热周围的空气，热量沿着空气向外扩散，同时驱动空气发生流动。如图中所示，模型上部区域空气温度较高，温度分布从刹车盘区域向两端递减。空气受热从左端狭缝离去后，温度分布沿轮缘向上递减。在右端区域，温度分布经刹车盘与轮辐间狭缝后，穿过顶端通风孔进入轮毂外侧空间。在模型的下部区域，可以看出较高温度的空气仅在刹车盘面周围部分，在盘面左侧较远处和轮辅板右侧受到高温刹车盘的影响较小。随着重力加速度值的增加，流体高温区域逐渐缩小，刹车盘表面区域的温度边界层也随着减小，流场中其余区域则变化不大。
图3 各个工况下y=0截面的温度场（轴向为x轴方向）
结论：本文针对航空刹车机轮刹车后机轮内部空气的流动传热状态开展了数值计算，通过改变重力加速度值，得到不同瑞利数下的流动状态，获得了机轮内部腔体各个部位的流动换热规律。当重力加速度值超过9.81m/s2，狭缝间以环缝宽度为特征长度的瑞利数达到105，以环缝内半径为特征长度的瑞利数达到108，流动进入湍流状态。
参考文献：
[1]林坤.(2019).航空发动机中回热器传热和阻力性能的数值模拟.工业加热,44-47.doi:CNKI:SUN:GYJR.0.2019-02-011.
[2]楼琦;赵介军;俞建峰;.(2019).基于涡流空气分级机的淀粉分级数值模拟与优化.食品与机械,122-127.doi:CNKI:SUN:SPJX.0.2019-09-025.