氣墊船復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)流場數(shù)值模擬研究

曲永磊，曹輝，徐立民

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司 軍事代表室，上海 201913;3.中船重工集團(tuán) 第703研究所，黑龍江 哈爾濱 150036)

進(jìn)氣量極大的燃?xì)廨啓C對自身進(jìn)口流場的均勻性有非常高的要求.燃?xì)廨啓C裝艦技術(shù)之一，就是利用有限的進(jìn)氣空間對進(jìn)氣氣流進(jìn)行合理組織，使進(jìn)氣系統(tǒng)具有良好的氣動性能，保障燃?xì)廨啓C正常工作.同時，燃?xì)廨啓C進(jìn)氣系統(tǒng)對于濾清的要求也很高，如LM2500燃?xì)廨啓C動力裝置就配置了高流速空氣濾清器［1］.中型以上氣墊船往往配置多臺燃?xì)廨啓C和大型進(jìn)氣濾清器，相應(yīng)進(jìn)氣系統(tǒng)幾何尺度較大，氣流分支情況復(fù)雜，給其數(shù)值模擬研究帶來了困難.美俄等艦船強國在該技術(shù)領(lǐng)域已比較成熟，并成功應(yīng)用于實船，我國目前尚無此類技術(shù)的研究經(jīng)驗.

大型復(fù)雜流場數(shù)值模擬的關(guān)鍵問題之一是模型的簡化.國內(nèi)外部分學(xué)者利用多孔介質(zhì)模型來反應(yīng)流場中特定結(jié)構(gòu)的通流特性、以實現(xiàn)復(fù)雜流場的全流域數(shù)值模擬提出了一些理論，并取得了一定成果，但總體來說其應(yīng)用還是比較有限的.KARKI C［2］等人提出了利用局部消去算法以解決能量方程在多孔介質(zhì)模型中的應(yīng)用;IMKE U［3］則將多孔介質(zhì)模型應(yīng)用到微通道換熱器中的單相和兩相流問題上;陳立德［4］針對燃?xì)廨啓C進(jìn)氣系統(tǒng)當(dāng)中的流動損失及產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，但沒有使用多孔介質(zhì)進(jìn)行模型簡化.

本文通過仿真計算氣墊船燃?xì)廨啓C多分支復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣流場，探索出相關(guān)復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬方案和方法，并考察燃?xì)廨啓C進(jìn)口的流場狀態(tài).在確立進(jìn)氣系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，嘗試?yán)枚嗫捉橘|(zhì)來反應(yīng)內(nèi)部通流特性，完成了計算域建模及進(jìn)氣流場仿真計算，探索了進(jìn)氣系統(tǒng)性能預(yù)報方法，對多分支復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了分析.數(shù)值模擬過程中調(diào)整網(wǎng)格劃分方案，保證計算精度和計算效率.

1 計算域建模

所研究的多分支復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)配置了兩類燃?xì)廨啓C，分別用于驅(qū)動墊升風(fēng)扇和推進(jìn)風(fēng)扇，所有燃?xì)廨啓C進(jìn)氣均從氣墊內(nèi)提供，且進(jìn)氣管道互通.

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)方案

該進(jìn)氣系統(tǒng)為左右兩舷對稱結(jié)構(gòu):在船體左右舷各配置一個大型進(jìn)氣穩(wěn)壓室，每個穩(wěn)壓室有二級分體式進(jìn)氣濾清器(旋風(fēng)級和折板式網(wǎng)墊級)用以濾除墊升氣流當(dāng)中所含的鹽霧氣溶膠與其他雜質(zhì)，穩(wěn)壓室艉端對應(yīng)驅(qū)動墊升風(fēng)機用燃?xì)廨啓C進(jìn)口;在進(jìn)氣穩(wěn)壓室頂部設(shè)置豎井，氣流在豎井內(nèi)部自下而上進(jìn)入驅(qū)動推進(jìn)風(fēng)扇用燃機進(jìn)口穩(wěn)壓腔內(nèi)，整流后提供給壓氣機;左右兩舷進(jìn)氣穩(wěn)壓室之間通過橫向通風(fēng)道連通，在通風(fēng)道中間位置設(shè)置豎井，氣流自下而上進(jìn)入驅(qū)動中央推進(jìn)風(fēng)扇用燃?xì)廨啓C穩(wěn)壓腔體.單側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)布局見圖1，箭頭表示氣流方向.

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the air-intake system

1.2 計算域簡化

復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)幾何尺度大，為保證數(shù)值模擬計算精度和計算效率，必須對該計算域進(jìn)行簡化.以船體中分面將進(jìn)氣系統(tǒng)剖分成2個完全對稱的部分，任取其一作為計算域，可使整體網(wǎng)格數(shù)量減半.流場中分面作為對稱面邊界類型處理.由于計算域整體幾何尺度較大，而內(nèi)部一些小尺度部件遠(yuǎn)離壓氣機入口等具有大參數(shù)梯度部位，因此可做進(jìn)一步簡化或略去，而不會對整體計算造成大的影響，如將齒輪箱簡化為長方體外形、忽略掉墊升風(fēng)扇傳動軸等.進(jìn)氣系統(tǒng)布置了兩級分體式進(jìn)氣濾清器，第1級為旋風(fēng)級，第2級為折板式網(wǎng)墊級.計算域內(nèi)用壓力階躍面代替，并給出其流動損失特性.

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)計算域Fig.2 Domain of the air intake system

2 控制方程與湍流模型

2.1 控制方程

進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的流動為定常可壓縮粘性流動，利用Boussinesq渦旋粘性假設(shè)，忽略質(zhì)量力的可壓縮粘性氣體的Navier-Stokes［5］方程組描述如下:

連續(xù)方程

動量方程

能量方程

狀態(tài)方程

式中:

為粘性應(yīng)力張量，ρ為密度，ui為速度分量，p為壓力，e為單位質(zhì)量的內(nèi)能，n為熱傳導(dǎo)系數(shù)，T為溫度，μ為動力粘性系數(shù)，μT為渦旋粘性系數(shù).

2.2 湍流模型

以k－ε湍流模型模擬渦旋粘性系數(shù)，則有關(guān)于湍流動能k及其耗散率ε的一般表達(dá)式:

忽略重力影響時，決定于浮力的湍流生成Gb為零，式(5)和式(6)成為

決定于平均速度梯度的湍動能生成為

由Sarkar建議的模擬可壓縮湍流脈動膨脹對總體耗散率的貢獻(xiàn)的表達(dá)式為

其中的湍流馬赫數(shù)定義為

渦旋粘性系數(shù)的表達(dá)式為

由B.E.Launder和D.B.Spalding給出的關(guān)于常數(shù)C1ε、C2ε、Cμ以及k、ε的湍流普朗特數(shù)σk和σε的值分別為［6］C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3.

3 網(wǎng)格生成與邊界條件

3.1 網(wǎng)格質(zhì)量

將全計算域劃分為若干區(qū)域，對規(guī)則幾何體計算域部分(如壓氣機筒體內(nèi)部、穩(wěn)壓室主體、橫向管道及豎井等)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而非規(guī)則的部分(壓氣機進(jìn)口附近區(qū)域、旋風(fēng)級上游空間)使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.在壓氣機進(jìn)口及內(nèi)流場等參數(shù)梯度很大的區(qū)域，采用小尺度網(wǎng)格，主流區(qū)域采用較大尺度網(wǎng)格，使網(wǎng)格整體數(shù)量和尺度得到有效控制.網(wǎng)格生成情況如圖3、4所示.

圖3 全計算域網(wǎng)格Fig.3 Grid of computational domain

圖4 壓氣機部分網(wǎng)格Fig.4 Grid of compressor

3.2 邊界條件

進(jìn)口:壓力進(jìn)口;出口:質(zhì)量流量出口;濾清器截面:多孔介質(zhì)模型、壓力階躍面;中分面:鏡像對稱內(nèi)部流面;固壁:絕熱，無滑移.

3.3 內(nèi)部壓力階躍面

為取得網(wǎng)格整體數(shù)量和網(wǎng)格精度的平衡，將進(jìn)氣濾清器所在位置設(shè)置成內(nèi)部壓力階躍流面，其壓力損失特性依靠多孔介質(zhì)模型來反映.多孔介質(zhì)階躍條件用于模擬已知速度/壓降特性的薄膜.它本質(zhì)上是用于單元區(qū)域的多孔介質(zhì)模型的一維簡化［7］.其控制方程的附加動量源項由2部分組成:1)粘性損失項，2)內(nèi)部損失項［8］.

通過具有有限厚度的薄多孔介質(zhì)的壓力變化定義為Darcy［9］定律和附加慣性損失項的結(jié)合:

式中:α是介質(zhì)的滲透率，C2為壓力階躍系數(shù)，v是介質(zhì)表面的法向速度，Δm為介質(zhì)厚度.

3.3.1 旋風(fēng)級

單獨計算的旋風(fēng)級濾清器網(wǎng)格如圖5所示.采用多方向周期性邊界條件對旋風(fēng)級進(jìn)行了阻力特性計算，經(jīng)過整理的壓力階躍參數(shù)如下:

圖5 旋風(fēng)級濾清器Fig.5 Filter of cyclone stage

3.3.2 折板式網(wǎng)墊級

首先對多層絲網(wǎng)進(jìn)行降維處理并采用周期性邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬，計算所得結(jié)果見圖6，得到阻力特性.然后將擬采用厚度的多層絲網(wǎng)簡化為內(nèi)部壓力階躍面，建立具有傾斜角度網(wǎng)墊級的二維計算域，進(jìn)行折板式網(wǎng)墊濾清器阻力性能計算，并最終得到進(jìn)氣系統(tǒng)所采用折板式網(wǎng)墊濾清器壓力階躍參數(shù):

圖6 網(wǎng)墊級數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of net stage

3.3.3 與實驗值對比

利用上述方法折算出額定流量下，旋風(fēng)級和網(wǎng)墊級對應(yīng)阻力損失值分別為453.2 Pa和540.6 Pa，而已有相同條件下對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)分別為478 Pa和565 Pa，相對誤差分別為5.2%和4.3%，說明應(yīng)用多孔介質(zhì)進(jìn)行流場簡化是合理可行的.

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 流場數(shù)值模擬結(jié)果

確定壓氣機流量范圍，并進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)多工況數(shù)值模擬:單臺燃?xì)廨啓C進(jìn)氣流量范圍為20～32 kg/s，計算時各個燃?xì)廨啓C保持相同工況進(jìn)氣流量.

圖7為額定工況下流速沿流線分布情況.墊升氣流通過進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)口后折轉(zhuǎn)進(jìn)入穩(wěn)壓室，而后流經(jīng)兩級進(jìn)氣濾清器，在下游大空間重新整流后分配到各個壓氣機.在壓氣機進(jìn)口，由于通流截面突縮，使得氣流速度激增，參數(shù)變化明顯.

對照流速分布，圖8、圖9所示的靜壓、總壓沿流線的分布，圖10縱剖面湍動能分布同樣體現(xiàn)了在壓氣機入口附近區(qū)域，參數(shù)變化明顯的情況.

圖7 速度沿流線分布Fig.7 Path lines colored by velocity

圖8 靜壓沿流線分布Fig.8 Path lines colored by static pressure

圖9 總壓沿流線分布Fig.9 Path lines colored by total pressure

圖10 縱剖面湍動能Fig.10 Turbulent energy of column section

4.2 進(jìn)氣系統(tǒng)阻力特性

流體在進(jìn)氣系統(tǒng)管道中處于湍流狀態(tài)，是產(chǎn)生阻力損失的主要因素之一［4］，為此，對氣墊船復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果的阻力特性進(jìn)行考察.由圖11縱剖面總壓分布圖可知:流場大空間內(nèi)壓力參數(shù)分布相對均勻;氣流經(jīng)過兩級進(jìn)氣濾清裝置時總壓發(fā)生明顯降低，體現(xiàn)了壓力階躍面特性;壓氣機入口附近，由于通流截面突縮而產(chǎn)生了較大壓力梯度，其壓力損失在整個系統(tǒng)中所占比重最大.對于采用了壓氣機入口光滑過渡的本計算方案，并未出現(xiàn)回流現(xiàn)象，這也是有效抑制無謂壓力損失的技術(shù)措施.

圖11 縱剖面總壓Fig.11 Total pressure of column section

圖12 進(jìn)氣系統(tǒng)阻力損失Fig.12 Pressure drop of air-intake system

圖12為各個工況、進(jìn)氣系統(tǒng)入口至各壓氣機前的阻力損失統(tǒng)計，其中不包含兩級濾清裝置阻力損失.由結(jié)果可知，隨著流量的增加，各個壓氣機壓力損失不斷提高.橫向?qū)Ρ雀鱾€壓氣機，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動墊升風(fēng)扇的分支通道壓力損失要低于其余2個分支，其原因是后者較前者多了一段通風(fēng)管道，增加了氣流沿程損失.在實際應(yīng)用時，如希望減小后者壓力損失，可考慮減少進(jìn)氣豎井管程長度.

4.3 壓氣機進(jìn)口不均勻度分析

復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)的最終設(shè)計目標(biāo)之一，是使得各個壓氣機入口參數(shù)的均勻性得到保證，從而保證壓氣機具有充足的喘振裕度.考核指標(biāo)為壓氣機進(jìn)口通流截面速度場平均不均勻度和局部面積最大不均勻度，其具體定義如下:

平均不均勻度:

局部最大不均勻度δ(5%)max:對擬考核截面總面積5%范圍內(nèi)速度進(jìn)行統(tǒng)計，并計算該局部范圍內(nèi)平均不均勻度，為局部不均勻度δ(5%)，過程與全截面平均不均勻度相同.其中，截面內(nèi)所有局部不均勻度最大值即為所求.

具體處理過程中，首先從欲考核的截面讀取各個計算節(jié)點速度值，然后利用專門編制的數(shù)據(jù)處理程序，給出該截面上的平均不均勻度和5%通流截面上最大不均勻度.

圖13給出了各個壓氣機不同流量時的截面平均不均勻度，圖14為各壓氣機的5%局部面積最大不均勻度.圖15為壓氣機截面速度分布等值線圖.綜合可知，各壓氣機不均勻度隨流量升高波動不明顯，這意味著壓氣機實際運行時可保證工況平穩(wěn)過度.橫向?qū)Ρ瓤芍?qū)動墊升風(fēng)機用壓氣機不均勻度參數(shù)優(yōu)于驅(qū)動推進(jìn)風(fēng)扇用壓氣機，其原因是氣流需要經(jīng)過90°折轉(zhuǎn)才能進(jìn)入后者，而后者整流空間較穩(wěn)壓室主體狹窄.因此，改進(jìn)后者通流形式，從而改善后者壓氣機入口氣流均勻性應(yīng)是主要工作方向之一.

整體上說，驅(qū)動墊升風(fēng)機用壓氣機工作條件好于驅(qū)動推進(jìn)風(fēng)扇用壓氣機.如希望兩類壓氣機得到相近的進(jìn)氣喘振裕度，應(yīng)主要從進(jìn)氣系統(tǒng)分支部分結(jié)構(gòu)入手，如豎井高度、環(huán)形穩(wěn)壓腔通流形式等等.

圖13 平均不均勻度Fig.13 Average of patchy degree

圖14 5%截面最大不均勻度Fig.14 Patchy degree maximum of 5%sections

圖15 壓氣機截面速度Fig.15 Velocity of compressor sections

5 結(jié)束語

針對復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行物理域－計算域轉(zhuǎn)化，是完成本文工作的基礎(chǔ).將計算域劃分成若干規(guī)則幾何體，使用塊結(jié)構(gòu)和局部加密方法生成網(wǎng)格，保證了網(wǎng)格精度和總體數(shù)量的平衡，是完成本復(fù)雜流場數(shù)值模擬的難點和重要條件.應(yīng)用多孔介質(zhì)模型模擬系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)氣濾清器阻力損失特性，為實現(xiàn)復(fù)雜進(jìn)氣系統(tǒng)三維流場高精度數(shù)值模擬創(chuàng)造了有利條件.對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，指出了后續(xù)工作要點.本文工作的完成，也為類似問題提出了一套可行的研究方案.

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