基于ANSYS FLUENT的排氣擴(kuò)壓器流場(chǎng)分析與研究

王平 楊林森 徐玉萍 黃世龍 郭倩伶

（成都工業(yè)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，四川 成都 611730）

引言

排氣擴(kuò)壓器的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)排出燃?xì)獾牟糠謩?dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能，真實(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)排氣反壓和環(huán)境壓力條件[1]。它是高空試車(chē)臺(tái)排氣系統(tǒng)，將被試發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫、高速燃?xì)膺M(jìn)行減速、降溫、降低噪聲，從而使燃?xì)忭樌剡M(jìn)入引射器（抽氣系統(tǒng)）或排入大氣的關(guān)鍵部件之一。對(duì)于高空試車(chē)臺(tái)，排氣擴(kuò)壓器可在保證發(fā)動(dòng)機(jī)排氣膨脹比的前提下，在一定的試驗(yàn)范圍內(nèi)充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出燃?xì)獾哪芰?，提高高空試?chē)臺(tái)模擬高度，節(jié)約能源、擴(kuò)大高空試車(chē)臺(tái)工作范圍[2]。

在高空臺(tái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)，通常噴管后面接高空臺(tái)擴(kuò)壓器，噴管的射流對(duì)高空艙內(nèi)的氣流起引射作用。通過(guò)調(diào)整擴(kuò)壓器出口的壓力，可以使高空艙內(nèi)的壓力達(dá)到所要模擬的環(huán)境壓力。由于主流和次流相互摻混、邊界層的發(fā)展，回流區(qū)的出現(xiàn)，在高空臺(tái)擴(kuò)壓器中存在非常復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象[3]。這將嚴(yán)重影響高空臺(tái)后艙壓力的控制。

排氣擴(kuò)壓器是一個(gè)氣動(dòng)部件，通常由一等直段的排氣混合段和一具有小擴(kuò)張角的亞聲速擴(kuò)壓段組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。作為氣動(dòng)混合段，要求排氣擴(kuò)壓器有足夠的通道面積，保證高空艙內(nèi)的全部氣流以較小的流動(dòng)損失順利通過(guò)[4]。

一、排氣擴(kuò)壓器幾何模型

本次分析針對(duì)圖1所示高空臺(tái)用小排氣擴(kuò)壓器。由于在實(shí)際的排氣擴(kuò)壓器中存在兩個(gè)空氣入口，因此在SOLIDWORKS中建立了如圖2所示的三維模型。從結(jié)構(gòu)上，該排氣擴(kuò)壓器將漸縮段、等直段和擴(kuò)壓段三個(gè)部分，簡(jiǎn)化為等直段便于分析。該模型分為三個(gè)入口，從上至下分別為入口1、入口2和入口3，以及一個(gè)出口。

二、排氣擴(kuò)壓器有限元模型

（一）仿真環(huán)境

此次仿真選用ANSYS FLUENT平臺(tái)，F(xiàn)LUENT是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車(chē)設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

（二）網(wǎng)格劃分及處理

網(wǎng)格的大小應(yīng)該控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)某叽?，以保證精度和計(jì)算效率。針對(duì)排氣擴(kuò)壓器進(jìn)行粗算，選擇了以最優(yōu)等級(jí)自動(dòng)劃分網(wǎng)格，共得到1298個(gè)單元，1403個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格質(zhì)量較好。（圖3）

三、排氣擴(kuò)壓器流場(chǎng)分析

求解時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)的k-e湍流模型，其余參數(shù)保持默認(rèn)。初始時(shí)，設(shè)置排氣擴(kuò)壓器管壁是鋁，內(nèi)部是理想氣體。設(shè)置速度入口的條件為：速度15m/s，初始?jí)簭?qiáng)32KPa，初始溫度275k。排氣擴(kuò)壓器的入口2是高溫燃?xì)猓O(shè)置速度入口的條件為：速度400m/s，初始?jí)簭?qiáng)32KPa，初始溫度775k。排氣擴(kuò)壓器的出口是增壓后氣體，設(shè)置壓力出口的條件為：標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)100KPa，回流總溫600k。

邊界條件設(shè)置完成后，進(jìn)行求解器設(shè)置。初始化設(shè)置是從入口2開(kāi)始求解，并進(jìn)行全局初始化。然后設(shè)置迭代步數(shù)為400，進(jìn)行計(jì)算。

四、流場(chǎng)分析結(jié)果及分析

當(dāng)?shù)綌?shù)計(jì)算完成后，可得到連續(xù)性方程，XYZ三個(gè)方向的速度殘差，k湍動(dòng)能方程，ε湍動(dòng)能耗散率方程的收斂曲線均收斂完成。將計(jì)算結(jié)果放入CFD-POST中進(jìn)行后處理，可得到排氣擴(kuò)壓器流場(chǎng)速度矢量圖，如圖4（a）所示；排氣擴(kuò)壓器流場(chǎng)速度云圖，如圖4（b）所示。

從圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)流場(chǎng)速度最大值在到達(dá)排氣擴(kuò)壓器的前端，燃?xì)馑俣仍谌細(xì)馀c理想氣體的交界面產(chǎn)生混合，速度降低，并形成回環(huán)流動(dòng)；從圖4（b）可以清晰地看到回環(huán)流動(dòng)的位置，以及燃?xì)馑俣鹊淖兓?，氣體最大速度為430m/s，在進(jìn)入排擴(kuò)后速度下降，最后排出時(shí)速度為320m/s。

為了進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)入口1速度對(duì)計(jì)算次數(shù)，壓強(qiáng)、最大速度及最大溫度的影響，于是設(shè)計(jì)了表1所示的6組實(shí)驗(yàn)。

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從表1可以得出，隨著入口1理想氣體速度的增加，出口處氣體最大速度增加，最大溫度下降，同時(shí)迭代次數(shù)增加。

五、結(jié)束語(yǔ)

利用solidworks 創(chuàng)建了排氣擴(kuò)壓器的三維幾何模型，并基于ANSYS FLUENT環(huán)境對(duì)排氣擴(kuò)壓器進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)研究。通過(guò)流場(chǎng)分析，得到了排氣擴(kuò)壓器在三個(gè)入口一個(gè)出口情況下的流場(chǎng)分布速度矢量圖和速度云圖，并分析了入口1速度對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響。根據(jù)這些規(guī)律可以為今后排氣擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)和使用提供以下3 點(diǎn)參考和意見(jiàn)：1.排氣擴(kuò)壓器將入口2的高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)行了降溫、擴(kuò)壓、降速，處理后的氣體可順利排入大氣中；2.空氣入口速度增大將導(dǎo)致排氣擴(kuò)壓器出口流速增加，溫度降低，壓強(qiáng)增大，但迭代次數(shù)會(huì)增加，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間上升，因此空氣入口速度需要綜合工況進(jìn)行設(shè)置；3.排氣擴(kuò)壓器工作時(shí)會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生兩個(gè)低溫低壓的回環(huán)中心，可根據(jù)中心位置設(shè)置排氣擴(kuò)器的幾何尺寸。