帶擴(kuò)口葉柵噴嘴預(yù)旋系統(tǒng)流動(dòng)特性數(shù)值研究

韋光禮，王鎖芳，鄭笑天

（南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

目前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究水平落后于歐美國(guó)家，解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的冷卻問(wèn)題存在較大困難，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況下，盡可能減少來(lái)自壓氣機(jī)引氣量，提高引氣的冷氣品質(zhì)自然而然成為亟待解決的課題。針對(duì)渦輪熱端部件的冷卻是航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流路研究中的一個(gè)關(guān)鍵所在，設(shè)計(jì)優(yōu)良發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)，降低冷氣流動(dòng)阻力和溫度是研究人員需要面對(duì)的困難?？諝庀到y(tǒng)中的預(yù)旋系統(tǒng)是冷卻熱端部件的重要部分，來(lái)自壓氣機(jī)的冷氣進(jìn)入預(yù)旋噴嘴膨脹加速，同時(shí)冷氣產(chǎn)生的周向速度方向與渦輪盤腔旋轉(zhuǎn)方向一致，降低冷氣在動(dòng)坐標(biāo)下總溫，直接提升了冷氣品質(zhì)，增強(qiáng)渦輪熱端部件冷卻效果。

國(guó)外學(xué)者對(duì)軸向預(yù)旋噴嘴有較多的研究：Ciampoli等［1］對(duì)帶直孔型預(yù)旋噴嘴進(jìn)行優(yōu)化。Meierhofer等［2］發(fā)現(xiàn)不同噴嘴的長(zhǎng)度、數(shù)量以及出口形狀對(duì)系統(tǒng)流阻與溫降影響。Granovskiy等［3］采用三維數(shù)值仿真研究了預(yù)旋噴嘴在整個(gè)空氣系統(tǒng)中不同安裝位置對(duì)系統(tǒng)流動(dòng)的影響。VLewis［4］發(fā)現(xiàn)預(yù)旋噴嘴不同徑向位置對(duì)系統(tǒng)溫降有較大影響。Scricca等［5］研究發(fā)現(xiàn)噴嘴的安裝位置對(duì)預(yù)旋系統(tǒng)的流阻有重要影響。Weltersbach等［6］研究了預(yù)旋噴嘴結(jié)構(gòu)、流量和旋流比對(duì)預(yù)旋溫降的影響，指出了預(yù)旋溫降是噴嘴壓比和旋流比的函數(shù)。Javiya等［7］對(duì)葉柵型噴嘴、氣動(dòng)型噴嘴和直孔型噴嘴的流動(dòng)情況進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)噴嘴與葉柵型噴嘴速度系數(shù)均高于直孔型噴嘴。Zhang Feng等［8-10］研究了噴嘴長(zhǎng)徑比、湍流參數(shù)、預(yù)旋角度對(duì)預(yù)旋性能的影響。

劉高文等［11-12］研究了預(yù)旋角度、長(zhǎng)徑比對(duì)預(yù)旋系統(tǒng)性能的影響，對(duì)擴(kuò)口孔型噴嘴的預(yù)旋系統(tǒng)的流動(dòng)特性也進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究，計(jì)算結(jié)果與直孔噴嘴對(duì)比可知擴(kuò)口型噴嘴的流動(dòng)損失相對(duì)較小，預(yù)旋效率與噴嘴流量系數(shù)均有提升。劉育心［13］在已有葉柵型噴嘴基礎(chǔ)上提出了一種葉型孔式噴嘴，這種噴嘴的預(yù)旋效率和流量系數(shù)均有較大幅度提升。羅翔等［14］開(kāi)展了不同預(yù)旋角下高位進(jìn)氣預(yù)旋系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與換熱試驗(yàn)研究，并獲得共盤腔換熱系數(shù)與轉(zhuǎn)盤表面溫度分布。張建超［15］對(duì)徑向式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值與試驗(yàn)研究。

目前研究的預(yù)旋噴嘴主要有直孔型、擴(kuò)口直孔型以及葉柵型。研究人員主要針對(duì)等葉高葉片葉柵噴嘴進(jìn)行研究，對(duì)于擴(kuò)口型葉柵噴嘴的研究較少。本文選取葉高為5.5 mm的葉柵噴嘴為基準(zhǔn)，由于漸縮通道具有良好的氣動(dòng)性能，要求結(jié)構(gòu)為漸縮，為保證與傳統(tǒng)葉柵噴嘴喉部面積相等，因此本文提出了一種葉高不等的葉片葉柵噴嘴，為減小整體葉高對(duì)噴嘴的影響，采用葉片前緣葉高8 mm，前緣至葉片中部葉高逐漸減少，葉片中部直至尾緣葉高為3 mm，由此不等葉高葉片形成的葉柵噴嘴即為擴(kuò)口葉柵噴嘴。

1 計(jì)算模型及計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中徑向預(yù)旋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，圖1（a）所示為簡(jiǎn)化后物理模型，徑向預(yù)旋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由進(jìn)氣腔、預(yù)旋噴嘴、預(yù)旋腔、接受孔、共轉(zhuǎn)腔以及供氣孔構(gòu)成，進(jìn)氣腔至預(yù)旋腔中部為靜止域，其余為轉(zhuǎn)動(dòng)域。葉柵噴嘴預(yù)旋系統(tǒng)模型中，預(yù)旋噴嘴和接受孔沿周向均勻散布20個(gè)，供氣孔設(shè)置為環(huán)縫，考慮模型周期性，對(duì)系統(tǒng)模型的1／10進(jìn)行數(shù)值模擬。

在相同系統(tǒng)壓比下，為保證擴(kuò)口噴嘴系統(tǒng)模型系統(tǒng)流量與傳統(tǒng)葉柵噴嘴系統(tǒng)流量一致，保持預(yù)旋角、單個(gè)葉柵噴嘴通道喉部面積、接受孔數(shù)目與葉柵噴嘴系統(tǒng)模型一致，噴嘴數(shù)目設(shè)置為16個(gè)，將系統(tǒng)1／8作為計(jì)算域。圖1（b）中標(biāo)注擴(kuò)口系統(tǒng)模型相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，表1為量綱為一的結(jié)構(gòu)參數(shù)。模型中噴嘴預(yù)旋角為18°，盤腔最大半徑Rb＝62 mm。

圖1 計(jì)算模型

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2為變?nèi)~高葉型與傳統(tǒng)等葉高葉型示意圖。網(wǎng)格劃分采用能滿足變化型面較大的計(jì)算要求的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在型面變化較為劇烈部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，在網(wǎng)格數(shù)50萬(wàn)～100萬(wàn)范圍進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)大于60萬(wàn)，系統(tǒng)總壓損失系數(shù)偏差在0.7%左右，為減小計(jì)算量選擇70萬(wàn)網(wǎng)格，圖3為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖。

圖2 導(dǎo)流葉片模型

圖3 網(wǎng)格示意圖

1.2 計(jì)算方法與邊界條件

本文基于ANSYS CFX17.2進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算。流體設(shè)置為可壓縮空氣，物性參數(shù)隨流體溫度變化。文獻(xiàn)［16］表明，與其他湍流模型相比，RNG湍流模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)吻合度更高，故參考文獻(xiàn)［16］的湍流模型選擇，選取RNG模型進(jìn)行計(jì)算，近壁面采用可升級(jí)函數(shù)處理，固定相位轉(zhuǎn)子法（Frozen Rotor）處理轉(zhuǎn)靜面，經(jīng)計(jì)算，壁面y＋處于30～200范圍。本文數(shù)據(jù)處理方式為質(zhì)量流量加權(quán)平均方法。

模型邊界條件：①預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)口給定氣流總溫700 K，供氣孔出口給定靜壓0.9 MPa；②進(jìn)氣總壓通過(guò)改變系統(tǒng)壓比（1.3、1.5、1.7、1.9、2.1）得到；③靜止域設(shè)置為靜止，轉(zhuǎn)動(dòng)壁面給定轉(zhuǎn)速25 000 r／min；④周期性邊界設(shè)置旋轉(zhuǎn)周期，壁面均為絕熱無(wú)滑移。

2 參數(shù)定義

2.1 系統(tǒng)進(jìn)氣壓比

定義壓比π為

2.2 旋流比

定義供氣孔出口氣流旋流比Sr為

式中：ω為轉(zhuǎn)動(dòng)域的角速度；Vφ為供氣孔出口氣流周向速度；R為供氣孔出口半徑位置。

2.3 量綱為一的溫降系數(shù)

定義量綱為一的溫降系數(shù)ψ為

文獻(xiàn)［13］，在絕熱條件下，有如下公式：

2.4 總壓損失系數(shù)

定義總壓損失系數(shù)ζ為

2.5 噴嘴流量系數(shù)

噴嘴流量系數(shù)定義為CDN：

式中：m為噴嘴出口實(shí)際流量；mid為理想流量；A為噴嘴喉部面積分別為噴嘴入口總壓、總溫和出口靜壓；K和Rg為絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)。

2.6 噴嘴出口氣流角

定義φ為噴嘴出口氣流角，即噴嘴出口周向速度與徑向速度的夾角。

3 計(jì)算結(jié)果分析與結(jié)論

3.1 預(yù)旋噴嘴氣流流動(dòng)特性

圖4為給出壓比2.1時(shí)，兩種噴嘴中截面的靜溫分布云圖，由圖可知兩種噴嘴在入口處的靜溫分布較高，這是由于氣流在入口處速度較低，根據(jù)能量方程可知此處動(dòng)溫較低而靜溫較高，氣流在噴嘴膨脹過(guò)程可發(fā)現(xiàn)在擴(kuò)口葉柵噴嘴中靜溫的分布出現(xiàn)了較為密集的分層變化，葉柵噴嘴同樣出現(xiàn)了分層變化，但是靜溫溫度梯度低于擴(kuò)口葉柵噴嘴。氣流經(jīng)過(guò)噴嘴膨脹后，速度急劇上升，靜溫降到最低，氣流進(jìn)入預(yù)旋腔兩種噴嘴的平均靜溫分布均未出現(xiàn)明顯分層情況，擴(kuò)口葉柵噴嘴在預(yù)旋腔中的靜溫略低于葉柵噴嘴。

圖4 噴嘴中截面靜溫分布

圖5所示為兩種噴嘴中截面的氣流速度分布云圖，由圖可知，氣流在噴嘴中均勻性良好，無(wú)速度分離，速度梯度分布基本一致，氣流在噴嘴中加速效果性能較好，均能保持較大的周向速度在預(yù)旋腔流動(dòng)，同時(shí)可以觀察到擴(kuò)口葉柵噴嘴出口尾跡分布較為均勻，葉柵噴嘴出現(xiàn)較少的尾跡損失情況。

圖5 噴嘴中截面速度分布

3.2 預(yù)旋噴嘴出氣速度

圖6為壓比為2.1時(shí)，兩種噴嘴出口截面的速度分布云圖，從圖中可以看出兩種噴嘴出口截面速度梯度基本一致，可發(fā)現(xiàn)出口速度較大的區(qū)間所占出口截面面積比例大于葉柵噴嘴。圖7給出兩種噴嘴截面出口平均出氣速度與周向出氣速度隨壓比變化情況，圖7（a）所示，兩種噴嘴平均出氣速度隨著壓比的增大而增大，相比于葉柵噴嘴，擴(kuò)口型噴嘴出氣速度有較小幅度提升，兩種噴嘴出口速度差也隨著壓比的增大而增大，壓比為2.1時(shí)，擴(kuò)口葉柵噴嘴出氣速度達(dá)到了312.3 m／s，比葉柵噴嘴的出氣速度301.5 m／s高3.46%。圖7（b）比較了兩種噴嘴的出口周向出氣速度，由圖可知，兩種噴嘴出口都能保持較大的周向速度，隨壓比變化規(guī)律與出氣平均速度大致相同，周向速度逐漸增大，兩者速度差逐漸增大，綜上對(duì)兩者噴嘴出口平均速度比較，可知?dú)饬髟跀U(kuò)口葉柵噴嘴中由較小的初始入口速度，經(jīng)過(guò)噴嘴膨脹加速后出口平均速度大于葉柵噴嘴出口平均速度，兩種噴嘴周向出口平均速度也與出口平均速度具有相同的規(guī)律性，由此氣流在擴(kuò)口葉柵噴嘴的流動(dòng)性優(yōu)于葉柵噴嘴，經(jīng)過(guò)預(yù)旋噴嘴膨脹加速，加速性能與氣流偏轉(zhuǎn)能力同樣優(yōu)于葉柵噴嘴。

圖6 噴嘴出口截面速度分布

圖7 噴嘴出口速度隨壓比變化

3.3 預(yù)旋噴嘴出氣角度

預(yù)旋噴嘴的出氣角度在一定程度上影響冷氣品質(zhì)，出氣角度越接近預(yù)旋角，冷氣品質(zhì)就越高，預(yù)旋系統(tǒng)的預(yù)旋效果就更好，圖8可知兩種噴嘴出氣角度隨著壓比增大出氣角度逐漸增大，但是增加的幅度較小，擴(kuò)口葉柵噴嘴出氣角度基本維持在16.6°左右，葉柵噴嘴出氣角度維持在15.4°左右。擴(kuò)口葉柵噴嘴出氣角度更加接近預(yù)旋角，冷氣品質(zhì)優(yōu)于葉柵噴嘴。

圖8 噴嘴出口出氣角度隨壓比變化

3.4 噴嘴流量系數(shù)

噴嘴流量系數(shù)能反映氣流在噴嘴中流動(dòng)阻力的大小，圖9展示兩種噴嘴流量系數(shù)隨著壓比的變化，可以發(fā)現(xiàn)兩種噴嘴流量系數(shù)變化與壓比近似形成正相關(guān)，增長(zhǎng)幅度基本一致，擴(kuò)口葉柵噴嘴流量系數(shù)始終高于葉柵噴嘴，這是由于擴(kuò)口葉柵噴嘴入口面積增大，在相同系統(tǒng)壓比條件下，導(dǎo)致進(jìn)氣速度降低，由氣流與固體壁面的動(dòng)量定理可知，氣流在入口處的流動(dòng)分離與偏轉(zhuǎn)減小，極大地降低了氣流在預(yù)旋噴嘴中的流阻，在壓比2.1時(shí)，擴(kuò)口葉柵噴嘴流量系數(shù)達(dá)到了0.782 3，比葉柵噴嘴的0.76增大了2.85%。

圖9 流量系數(shù)隨壓比變化

3.5 預(yù)旋系統(tǒng)溫降與出口氣流旋流比

圖10和圖11給出了預(yù)旋系統(tǒng)量綱為一的溫降與系統(tǒng)出口氣流旋流比隨壓比變化，量綱為一的溫降的大小直接影響了冷氣品質(zhì)，系統(tǒng)溫降越大則冷氣品質(zhì)越高，提升冷氣對(duì)高溫部件的冷卻效率，出口氣流的旋流比，反映著出口氣流的偏轉(zhuǎn)情況，旋流比越接近1則氣流偏轉(zhuǎn)方向越接近渦輪盤旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)渦輪葉片根部的沖擊冷卻就越好，從圖10與圖11可知系統(tǒng)量綱為一的溫降與旋流比均隨著壓比的增大而增大，隨著壓比的增大，系統(tǒng)出口靜溫降低，噴嘴氣流周向速度增大，提高了旋流比。擴(kuò)口葉柵噴嘴的系統(tǒng)量綱為一的溫降與出口氣流旋流比均高于葉柵噴嘴，同時(shí)比較兩圖可發(fā)現(xiàn)預(yù)旋系統(tǒng)的量綱為一的溫降與系統(tǒng)出口旋流比有較大關(guān)系，旋流比接近1，系統(tǒng)量綱為一的溫降越大，在壓比為2.1時(shí)，擴(kuò)口葉柵噴嘴量綱為一的溫降達(dá)到0.033，旋流比0.782，比葉柵噴嘴的量綱為一的溫降0.03高8.15%，旋流比0.76高2.84%，說(shuō)明帶擴(kuò)口葉柵噴嘴預(yù)旋系統(tǒng)的冷卻效果與氣流偏轉(zhuǎn)性能優(yōu)于葉柵噴嘴系統(tǒng)模型。

圖10 量綱為一的溫降隨壓比變化

圖11 旋流比隨壓比變化

3.6 預(yù)旋系統(tǒng)總壓損失特性

由于共轉(zhuǎn)腔的存在，使得氣流在預(yù)旋腔中的壓力損失，經(jīng)過(guò)共轉(zhuǎn)腔的泵送效應(yīng)提升了氣流在出口的相對(duì)總壓，系統(tǒng)出口的壓力越大，對(duì)渦輪盤的氣流沖擊也越大，冷卻效果越好，圖12定量給出預(yù)旋的總壓損失特性隨壓比的變化，隨著壓比的增大，氣流速度增大，氣流在系統(tǒng)流路中的摩擦損失也就越大，更多的壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，降低了氣流相對(duì)動(dòng)壓，所以總壓損失隨著壓比增大而增大，兩種噴嘴的總壓損失系數(shù)變化趨勢(shì)相同且大小基本一致。

圖12 總壓損失系數(shù)隨壓比變化

4 結(jié)論

本文對(duì)帶擴(kuò)口葉柵噴嘴與葉柵噴嘴的徑向預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)論如下：

1）擴(kuò)口葉柵噴嘴加速性能與偏轉(zhuǎn)性優(yōu)于葉柵噴嘴。

2）兩種噴嘴的出氣速度、流量系數(shù)以及出氣角度均隨壓比增加而增加，相對(duì)于葉柵噴嘴，系統(tǒng)進(jìn)出口壓比為2.1時(shí)，擴(kuò)口葉柵噴嘴的流量系數(shù)、出氣平均速度和出氣角度分別增大2.85%、

3.46%、7.2%。

3）系統(tǒng)進(jìn)出口壓比2.1時(shí)，帶擴(kuò)口葉柵噴嘴預(yù)旋系統(tǒng)的量綱為一的溫降顯著高于帶葉柵噴嘴預(yù)旋系統(tǒng)，達(dá)到了0.033，高于葉柵噴嘴預(yù)旋系統(tǒng)8.15%，系統(tǒng)總壓損失系數(shù)兩種噴嘴系統(tǒng)基本一致。