模擬板吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果關(guān)聯(lián)規(guī)律

王彥青，張杰，葉巍

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

模擬板吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果關(guān)聯(lián)規(guī)律

王彥青，張杰，葉巍

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

采用CFD方法對惡劣圖譜模擬板進(jìn)行模擬，通過對模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，總結(jié)出CFD模擬結(jié)果與吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)規(guī)律。結(jié)果表明：畸變指數(shù)關(guān)聯(lián)方法，適用于任何堵塞比的模擬板，可以保證周向畸變指數(shù)一致，但不能保證低壓區(qū)范圍相近和總壓分布相似；距離關(guān)聯(lián)方法既可保證周向畸變指數(shù)一致，又能保證低壓區(qū)范圍和總壓分布相似，但只適用于堵塞比較小的情況。

進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)相容性；總壓畸變；惡劣圖譜；模擬板；吹風(fēng)試驗(yàn)；數(shù)值模擬

1　引言

開展進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)相容性試驗(yàn)研究，對進(jìn)氣道出口惡劣圖譜進(jìn)行模擬十分重要。惡劣圖譜模擬裝置有多種類型，包括模擬網(wǎng)［1-2］、模擬板［3-4］、隨機(jī)頻率發(fā)生器［5-6］、插桿插板式模擬器［7］等。其中，模擬板因結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、板后氣流渦流大，可較真實(shí)地模擬給定條件下發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面的總壓畸變等優(yōu)點(diǎn)，而被美國發(fā)動機(jī)通用規(guī)范所推薦。

進(jìn)行模擬板設(shè)計(jì)，人們通常采用CFD技術(shù)，對模擬板吹風(fēng)試驗(yàn)?zāi)M裝置進(jìn)行仿真研究［8-9］，進(jìn)而對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，以減少試驗(yàn)次數(shù)。但采用CFD技術(shù)進(jìn)行三維流場仿真時，由于湍流模型對流動摻混模擬存在一定誤差，表現(xiàn)為相同截面上CFD模擬的摻混過程與真實(shí)流動不同步，使得CFD仿真與吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。因此，要準(zhǔn)確預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果，就必須尋找仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)規(guī)律，對CFD仿真結(jié)果進(jìn)行修正，本文對此開展了研究。

2　模擬板及仿真計(jì)算

共模擬5塊模擬板，其中模擬目標(biāo)圖譜一3塊（圖1，編號分別為1-1、1-2、1-3），目標(biāo)圖譜二2塊（圖2，分別為2-1和2-2）。模擬板直徑D=206 mm，模擬板堵塞比及來流馬赫數(shù)詳見表1。

圖1　目標(biāo)圖譜一及其模擬板Fig.1 Target charts 1 and its simulating board

圖2　目標(biāo)圖譜二及其模擬板Fig.2 Target charts 2 and its simulating board

表1　模擬板及來流馬赫數(shù)Table 1 Simulation board and its Mach number

圖3所示為吹風(fēng)試驗(yàn)時模擬板試驗(yàn)件與試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖。圖中紅色框內(nèi)為計(jì)算范圍，計(jì)算時轉(zhuǎn)接段2充分拉長（計(jì)算時模擬板后長度取5.0D），以確保計(jì)算域出口流場較為均勻。

計(jì)算采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在板與流場交接處對網(wǎng)格局部加密，流場網(wǎng)格總數(shù)約為130萬。采用定?？蓧嚎s流雙精度求解流場參數(shù)。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，進(jìn)口采用壓力進(jìn)口、出口采用壓力出口，壁面默認(rèn)無滑移絕熱條件。進(jìn)口邊界總壓101 325 Pa，總溫288.15 K。

對于每塊模擬板，都采用逐漸降低出口總壓的方式，得到不同來流馬赫數(shù)（表1）條件下的流場分布。為方便分析，對于模擬板1-1和2-1，反復(fù)調(diào)整出口邊界總壓，得到與試驗(yàn)測量來流馬赫數(shù)完全一致條件下的流場分布。

試驗(yàn)時，AIP截面（試驗(yàn)測量截面）采用6×5等環(huán)分布的耙子進(jìn)行測量。對數(shù)值模擬結(jié)果，提取6×5等環(huán)分布的點(diǎn)進(jìn)行分析，每個點(diǎn)的流場特征由相鄰4個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)插值得到。

圖3　試驗(yàn)件與試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of connection between test piece and test equipment

3　關(guān)聯(lián)方法

采用畸變指數(shù)關(guān)聯(lián)和距離關(guān)聯(lián)兩種方法進(jìn)行分析。

3.1畸變指數(shù)關(guān)聯(lián)

畸變指數(shù)關(guān)聯(lián)為傳統(tǒng)的分析方法，該方法對CFD模擬的畸變指數(shù)進(jìn)行倍數(shù)縮放或偏移加減，達(dá)到與試驗(yàn)畸變指數(shù)一致。

進(jìn)行模擬板吹風(fēng)試驗(yàn)，AIP截面通常選在板后1.0D位置。因此，CFD模擬結(jié)果也取板后1.0D處。把模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到修正系數(shù)：

式中：α為修正系數(shù)，Δσˉ為周向畸變指數(shù)。

該方法可保證周向畸變指數(shù)一致，但不能保證圖譜相似（即低壓區(qū)范圍相近，總壓分布相似）。

3.2距離關(guān)聯(lián)

設(shè)模擬板后轉(zhuǎn)接段2（圖3）的長度足夠長，則無論是CFD計(jì)算還是試驗(yàn)，該轉(zhuǎn)接段出口流場都將趨于均勻，畸變指數(shù)趨于零。

對于模擬板后1.0D處的畸變指數(shù)，如果試驗(yàn)值小于CFD模擬值，則在CFD流場中一定存在一個CFD取值截面（距模擬板長度為LCFD），該截面與AIP截面（距模擬板長度為LTest）具有相同的畸變指數(shù)，見圖4。此外，CFD計(jì)算和試驗(yàn)用模擬板完全相同，因此可預(yù)測CFD取值截面與AIP截面的低壓區(qū)范圍和總壓分布也相似，即兩截面流場圖譜相似。因此采用LCFD與LTest之間關(guān)系作為修正參數(shù)，即可得到一個畸變指數(shù)相等且圖譜相似的流場：

對于模擬板后1.0D處的畸變指數(shù)，如果試驗(yàn)值大于CFD模擬值，則距離關(guān)聯(lián)方法不適用。

圖4　CFD結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的映射關(guān)系Fig.4 Mapping relationship between CFD results and test results

圖5　模擬板后1.0D處畸變指數(shù)隨來流馬赫數(shù)變化關(guān)系Fig.5 Distortion index vs.Mach number（1.0D after the simulating board）

4　畸變指數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)律分析

4.1板后1.0D處流場分析

圖5給出了模擬板后1.0D處流場周向畸變指數(shù)隨來流馬赫數(shù)的變化?？梢?，對同一個目標(biāo)圖譜，無論是試驗(yàn)還是計(jì)算，周向畸變指數(shù)都隨來流馬赫數(shù)和堵塞比的增大而增大。這是因?yàn)閬砹魉俣仍礁?、堵塞比越大，氣流對模擬板的沖擊程度越高，板后渦流越大。來流馬赫數(shù)較低時，周向畸變指數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合度較好，但隨著馬赫數(shù)的逐漸增大，計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差也逐漸增大。這說明CFD計(jì)算時湍流模型對流動摻混模擬的誤差、數(shù)值計(jì)算的截?cái)嗾`差以及試驗(yàn)測量誤差等各種誤差，在低來流馬赫數(shù)時對結(jié)果的影響較小，在高來流馬赫數(shù)時對結(jié)果影響較大。對于同一目標(biāo)圖譜，堵塞比較小（模擬板1-1和2-1）時，周向畸變指數(shù)計(jì)算值大于試驗(yàn)值；堵塞比較大時（模擬板1-2、1-3和2-2），則計(jì)算值小于試驗(yàn)值。

4.2CFD模擬結(jié)果修正規(guī)律分析

為考察1.0D截面上周向畸變指數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對每塊模擬板的CFD結(jié)果進(jìn)行插值，然后根據(jù)式（1）計(jì)算，得到板后1.0D處周向畸變指數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的關(guān)聯(lián)規(guī)律，如圖6所示。

根據(jù)CFD仿真特點(diǎn)，對同一個目標(biāo)圖譜，當(dāng)模擬板堵塞比較大時，板后流場易出現(xiàn)大尺度分離現(xiàn)象，相同截面上CFD模擬的分離過程比真實(shí)流動慢，畸變指數(shù)較低；當(dāng)模擬板堵塞比較小時，板后相同截面上CFD模擬的摻混過程比真實(shí)流動慢，畸變指數(shù)較高。

試驗(yàn)結(jié)果和CFD仿真結(jié)果顯示，模擬目標(biāo)圖譜一的3塊模擬板和模擬目標(biāo)圖譜的二的2塊模擬板中：1-1和2-2的周向畸變指數(shù)仿真值大于試驗(yàn)值，修正系數(shù)小于1，且隨來流馬赫數(shù)的增大而減?。?-2、1-3和2-2的周向畸變指數(shù)仿真值小于試驗(yàn)值，修正系數(shù)大于1，且隨來流馬赫數(shù)的增大而增大。

圖6　模擬板后1.0D處畸變指數(shù)修正系數(shù)隨來流馬赫數(shù)的變化關(guān)系Fig.6 Distortion correction coefficient vs.Mach number（1.0D after the simulating board）

5　距離關(guān)聯(lián)規(guī)律分析

5.1CFD模擬結(jié)果修正規(guī)律分析

對于每個來流馬赫數(shù)下的模擬結(jié)果，在模擬板后1.0D、1.2D、1.4D、1.6D、1.8D、2.0D、2.2D處的流場，分別提取6×5等環(huán)分布的點(diǎn)，其流場特征由相鄰4個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)插值得到。

圖7給出了上述沿氣流方向提取截面的流場分布特征?？梢姡和粊砹黢R赫數(shù)下，模擬板后流場周向畸變指數(shù)沿氣流方向逐漸減小，氣流在模擬板后空管中流動逐漸趨于均勻。

圖7　畸變指數(shù)隨板后位置的變化Fig.7 Distortion index vs.the position after the plate

本文分析的LTest=1.0D，即AIP截面在模擬板后1.0D。要在CFD模擬流場中尋找一個到模擬板距離為LCFD的截面，且該截面畸變指數(shù)與AIP截面畸變指數(shù)相等，顯然只需將AIP截面畸變指數(shù)在圖7中相應(yīng)線上插值就可得到LCFD的值，然后根據(jù)式（2）計(jì)算，就可得到基于距離關(guān)聯(lián)方法的CFD仿真結(jié)果修正系數(shù)，如表2和圖8所示?？梢?，對同一塊模擬板（或堵塞比一定條件下），隨著來流馬赫數(shù)的增加，基于距離關(guān)聯(lián)方法的修正系數(shù)LˉCFD也增大。

表2　距離關(guān)聯(lián)規(guī)律Table 2 Distance correlation law

5.2CFD修正截面與AIP截面流場特性對比分析

表3為CFD修正截面、AIP截面和CFD仿真板后1.0D截面的流場特性?？梢姡篊FD修正截面與AIP截面的周向畸變指數(shù)幾乎完全一致；與CFD仿真板后1.0D截面相比，CFD修正截面的低壓區(qū)范圍與AIP截面吻合得更好。如模擬板2-1，來流馬赫數(shù)0.152時低壓區(qū)范圍增加了5.5°，馬赫數(shù)0.289時增加了13.4°。

表3　CFD修正截面與AIP截面流場特性Table 3 Flow field characteristics of CFD modified cross section and AIP section

圖8　距離關(guān)聯(lián)方法修正系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化Fig.8 Distance correlation method correction coefficient vs.the Mach number

圖9給出了模擬板1-1在來流馬赫數(shù)0.304時的周向總壓分布和模擬板2-1在來流馬赫數(shù)0.289時的周向總壓分布。可見，與模擬板后1.0D截面相比，CFD修正截面的壓力分布與AIP截面更相近。

6　結(jié)束語

畸變指數(shù)關(guān)聯(lián)方法，適用于任何堵塞比的模擬板，可以保證周向畸變指數(shù)一致，但不能保證低壓區(qū)范圍相近和總壓分布相似。距離關(guān)聯(lián)方法既可保證周向畸變指數(shù)一致，又能保證低壓區(qū)范圍和總壓分布相似，但只適用于堵塞比較小的情況。

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圖9　周向總壓分布Fig.9 Circumferential total pressure distribution

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Investigation of correlation laws between simulating board air blowing test results and numerical simulation results

WANG Yan-qing，ZHANG Jie，YE Wei
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Simulation has been carried out on simulating plates of a severe contour map.By analyzing and comparing the simulation results and air blowing test results，the correlation laws between CFD simulation results and the experimental results was summarized.The results show that distortion index correlation method is applicable on any simulating plate with consistent circumferential distortion index，but similar range area of low pressure and total pressure distribution cannot be guaranteed；distance correlation method not only can ensure consistent circumferential distortion index，but also the similar low pressure area and total pressure distribution，which is only for relatively small blockage.

inlet/engine compatibility；total pressure distortion；severe contour map；simulating plate；air blowing test；numerical simulation

V233.7+55

A

1672-2620（2015）05-0024-05

2014-12-12；

2015-10-11

王彥青（1976-），女，河南滑縣人，高級工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機(jī)氣動穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究。