徑向進(jìn)氣裝置內(nèi)孔板流動(dòng)規(guī)律研究

肖競雄，張品

(1. 南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 中國人民解放軍總參謀部第六十研究所，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)不再一味地追求高性能，研究進(jìn)氣畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)造成影響的重要性也越發(fā)凸顯出來[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變?nèi)菹弈芰υu定實(shí)驗(yàn)中，關(guān)鍵措施之一是用特定形式的模擬器構(gòu)造出符合飛行狀態(tài)要求的AIP界面畸變指數(shù)、低壓區(qū)范圍以及總壓畸變圖譜。只有準(zhǔn)確獲取以上3個(gè)因素，才能正確建立畸變指數(shù)與穩(wěn)定裕度之間的關(guān)系，定量估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余喘振裕度，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的評定，所以模擬器對畸變構(gòu)造的精度決定性地影響著發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的評定結(jié)果[2-4]。

孔板是流體機(jī)械中一種常見的結(jié)構(gòu)，可安裝于航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)氣裝置內(nèi)，以模擬特定的畸變流場，其周圍產(chǎn)生的繞流與流道內(nèi)其他流動(dòng)特征相互作用，對流動(dòng)結(jié)構(gòu)及流動(dòng)損失形成影響[5]?？装謇@流的特征類似于鈍體繞流，MUKHOPADHYAY A等[6]針對通道內(nèi)鈍體繞流，通過數(shù)值流場可視化對該現(xiàn)象的細(xì)節(jié)進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)鈍體后渦脫落引起流場的周期性變化。M. R. Mankbadi等[7]通過數(shù)值模擬分析了外流情況下鈍體的分離流動(dòng)，捕捉到方柱周圍湍流特征的各種復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，如高度不穩(wěn)定的旋渦結(jié)構(gòu)，近壁區(qū)回流和尾流湍流。流道的孔板繞流存在一定的流動(dòng)損失。張海濤等[8]基于大渦模型分別從不同角度對大雷諾數(shù)下的方柱繞流問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了方柱繞流過程的流場情況及重要流體動(dòng)力參數(shù)(包含阻力系數(shù)情況)。YANG S Q等[9]通過理論分析，對鈍體繞流阻力與尾跡區(qū)之間的關(guān)系作出了初步的理論探討。

為了更精確且高效地設(shè)計(jì)此類孔板，應(yīng)獲取在進(jìn)氣裝置內(nèi)結(jié)構(gòu)件影響下孔板繞流機(jī)理，本文采用數(shù)值模擬的方法研究了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)徑向進(jìn)氣裝置內(nèi)孔板繞流的流動(dòng)損失及對氣動(dòng)參數(shù)的影響規(guī)律。

1 計(jì)算方法

本文所研究的計(jì)算模型為某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)徑向進(jìn)氣裝置，圖1所示為CFD計(jì)算模型與網(wǎng)格。外界氣流從周向環(huán)面進(jìn)入，在流道內(nèi)平滑過渡轉(zhuǎn)向90°變?yōu)檩S向，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。流道的上下壁面靠支板連接支撐固定，原始造型為5塊周向均布間隔72°的支板，支板為對稱翼型造型，前后緣均為圓弧型以減小流動(dòng)損失，進(jìn)氣裝置進(jìn)口唇口外徑D1=350mm，出口外徑D2=120mm，內(nèi)徑D3=48mm，唇口通道高H=56mm。為保證進(jìn)口氣流的均勻性，在唇口向外做了一定的延伸，延伸段長L=70mm。

圖1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

采用商業(yè)軟件ANSYS ICEM劃分全局結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)120萬，計(jì)算模型為k-ε，對壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密，保證y+值滿足湍流模型要求。計(jì)算采用ANSYS CFX，以渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車的標(biāo)況條件作為邊界條件，給定進(jìn)口總溫T*=288.15K、總壓P*=101 325Pa，出口給定不同流量來調(diào)節(jié)徑向進(jìn)氣裝置使得處于正常工作狀態(tài)，AIP界面Ma在0.5～0.65之間，工質(zhì)為理想氣體，進(jìn)氣裝置的壁面、孔板以及支板均為絕熱、無滑移壁面。

2 結(jié)果與分析

2.1 無進(jìn)口弧形板進(jìn)氣裝置內(nèi)的流場分析

首先計(jì)算的為無進(jìn)口弧形板進(jìn)氣裝置。通過計(jì)算，圖2為AIP界面馬赫數(shù)Ma=0.53時(shí)的流場馬赫數(shù)分布圖，圖2(a)為子午面馬赫數(shù)分布，圖2(b)為流向沿程馬赫數(shù)分布。從圖2(a)可以看出，流體在流道開始轉(zhuǎn)彎后有一個(gè)內(nèi)壁面指向外壁面的速度梯度。這是因?yàn)橛捎诹鞯赖膹澢?，流線會(huì)發(fā)生彎曲，流體在向心力的作用下，內(nèi)壁的壓力高于外壁的壓力，在壓差的驅(qū)動(dòng)下從內(nèi)壁到外壁形成一個(gè)加速過程，而支板的存在對這個(gè)過程形成阻礙使得此加速效果受到削弱。圖2(b)中，支板表面為曲壁，在流體通過時(shí)靠近壁面處由于黏性影響動(dòng)能損失較大，可發(fā)現(xiàn)支板后出現(xiàn)一個(gè)速度虧損，在沿程分布上就可以發(fā)現(xiàn)在支板后有一個(gè)尾跡區(qū)，隨著流動(dòng)的發(fā)展，該尾跡區(qū)和主流融合消失。

圖2 徑向進(jìn)氣裝置Ma=0.53流場馬赫數(shù)分布

2.2 孔板周向尺寸的變化對流動(dòng)影響的分析

為了研究孔板周向尺寸對于徑向進(jìn)氣裝置流場的影響規(guī)律，在計(jì)算中加入了圓弧形板，板的位置緊貼進(jìn)氣裝置唇口，離支板前緣的徑向距離為45mm。計(jì)算了3種尺寸弧形板的方案，分別對應(yīng)了板的周向角度為60°、120°、180°，造型如圖3所示。

圖3 周向角度不同弧形板的造型

表1為不同尺寸板的AIP界面流場參數(shù)。從表1中能看出在保證流量一致的前提下，加入弧形板后對于流場的影響還是很明顯的，AIP界面馬赫數(shù)Ma隨著板弧度的增大而增大，最多比原型增加了25%，總壓恢復(fù)系數(shù)σ隨著板弧度的增大而減小，最多比原型降低了4%，畸變指數(shù)DC60隨著板弧度的增大而增加，最多比原型減小了2 900%。

表1 不同尺寸板對應(yīng)AIP界面流場參數(shù)

圖4所示為無擋板的初始造型方案和3種不同周向角度弧形板方案下的流線分布與AIP界面總壓恢復(fù)系數(shù)σ分布。可以看出，在無板阻擋時(shí)，流體自唇口均勻進(jìn)氣，來流與支板的攻角為0°，附面層分離小，在AIP界面時(shí)尾跡區(qū)已經(jīng)幾乎和主流完全摻混，僅在外壁面與支板相對應(yīng)的近壁區(qū)還能觀察到細(xì)微總壓損失。采用方案1后，流體受到弧形板的阻擋被迫從板的兩側(cè)繞流。板的左邊沿距離支板較近，在支板和弧形板之間形成了一個(gè)通道，相當(dāng)于流通面積突縮?？装搴箪o壓較低，在壓力梯度的作用下大量流體被加速吸入此通道內(nèi)并與周圍流體劇烈摻混，同時(shí)由于板和支板的阻擋作用迫使流體轉(zhuǎn)彎，此處支板右側(cè)與來流攻角增大。支板右表面發(fā)生嚴(yán)重附面層分離，流動(dòng)中出現(xiàn)了旋渦，流動(dòng)阻力增大。所以能明顯看出此處支板的尾跡區(qū)對AIP界面的總壓損失影響增大，而且主要集中在支板的右側(cè)。采用方案2后，支板的弧形板的左邊沿與支板相對位置不變，右邊沿逆時(shí)針延伸60°。此時(shí)由于弧形板范圍擴(kuò)大，板后的靜壓更小，與邊沿處的壓力梯度更大，抽吸效應(yīng)更加明顯，能看到弧形板左右兩邊沿的繞流流體被吸入到板后，左邊沿與支板形成的流道比右邊沿與支板形成的流道更窄，因此，氣流被加速得更快。在兩支板之間，被吸入形成的二次流與主流劇烈摻混，形成大量混亂的旋渦，加劇了流動(dòng)損失，同時(shí)，在兩個(gè)支板的共同作用下，低壓區(qū)一分為二，變成了一大一小兩個(gè)，范圍較小的低壓區(qū)的總壓恢復(fù)系數(shù)最低值更低。采用方案3后，支板弧形板的左邊沿與支板相對位置仍然不變，右邊沿逆時(shí)針再延伸60°。在弧形板范圍內(nèi)包含了3塊支板，3塊支板兩兩之間仍然是強(qiáng)摻混區(qū)，低壓區(qū)的大小進(jìn)一步擴(kuò)大，總壓恢復(fù)系數(shù)最小值進(jìn)一步降低，并且低壓區(qū)的周向位置向著弧形板中心區(qū)域靠攏，此時(shí)也相當(dāng)于進(jìn)口面積縮小了一半，流體在通道內(nèi)被加速得更快，因此支板尾跡區(qū)的范圍和損失也增加了，在圖中AIP界面能看到剩下兩塊沒有包容在弧形板內(nèi)支板的明顯的總壓損失尾跡增大。

圖4 周向度數(shù)不同弧形板流線與AIP界面總壓恢復(fù)系數(shù)分布

2.3 弧形板堵塞率改變對流動(dòng)影響的分析

本小節(jié)主要研究在弧形板上開孔的孔大小對于流場的影響，在180°弧形板上均勻排布5個(gè)等直徑的孔，孔心之間間隔30°，定義堵塞率Pb為進(jìn)口孔板面積和進(jìn)口面積的比。

計(jì)算4種模型對應(yīng)堵塞率，分別是Pb=49%、47%、45%、42%。造型方案如圖5所示。

圖5 不同堵塞率孔板造型

表2為不同堵塞度板的AIP界面流場參數(shù)，在弧形板上打孔以后對于AIP界面馬赫數(shù)Ma、總壓恢復(fù)系數(shù)σ、畸變指數(shù)DC60都有影響， 其中，堵塞率從49%下降到42%，AIP界面馬赫數(shù)Ma隨著堵塞率的降低而減小，最多減小14%；總壓恢復(fù)系數(shù)隨著堵塞率減小而增加，最多增加2%；畸變指數(shù)隨著堵塞率減小而增加，最多增大63%。

表2 不同堵塞度板對應(yīng)AIP界面流場參數(shù)

圖6所示為4種不同孔徑方案下的流線分布與AIP界面總壓恢復(fù)系數(shù)σ分布?？梢钥闯?，方案4時(shí)的孔徑較小，通流能力有限，圖上能看到只有少量流線通過5孔，對弧形板后的低速強(qiáng)摻混區(qū)的幾乎無影響，AIP界面總壓恢復(fù)系數(shù)分布也和方案3的類似。在方案5時(shí)，孔徑相對于方案4擴(kuò)大1倍，孔通流面積相當(dāng)于放大了4倍，在弧形板內(nèi)外兩側(cè)大靜壓差下，流體經(jīng)過孔時(shí)被劇烈加速，每個(gè)孔都指向圓心，經(jīng)過孔流入的高能流體與主流方向一致，相當(dāng)于5股高速射流進(jìn)入，直接帶動(dòng)弧形板右邊沿所對應(yīng)支板右側(cè)的大攻角流體往主流方向偏轉(zhuǎn)，減小攻角，減小了支板右側(cè)的流動(dòng)分離強(qiáng)度，同時(shí)沖擊、帶動(dòng)弧形板后的雜亂無章的流體。從圖6中可看出經(jīng)過弧形板邊沿流入被貼著板壁面流動(dòng)的流體受到孔流體的沖擊已減少很多，且減小了板后流體的旋渦強(qiáng)度。AIP界面的兩個(gè)低壓區(qū)融為一體，總壓恢復(fù)系數(shù)最低值上升，低壓區(qū)壓力梯度減小。方案6、方案7孔通流面積繼續(xù)增大，通流能力進(jìn)一步增強(qiáng)，從弧形板邊沿進(jìn)入的繞流流體已不能貼著板壁面流動(dòng)，直接被孔內(nèi)大量流體吹除并匯入主流。支板上的氣流攻角繼續(xù)減小，流動(dòng)分離減弱，板后二次流幾乎消失，板后回流、旋渦區(qū)明顯減少，流動(dòng)流場損失減少，在AIP界面的低壓區(qū)內(nèi)壓力梯度進(jìn)一步減小，流場不均勻度得到明顯改善。

圖6 不同堵塞率孔板流線與AIP界面總壓恢復(fù)系數(shù)分布

2.4 弧形板孔數(shù)的改變對流動(dòng)影響的分析

本節(jié)主要研究了弧形板上不同孔數(shù)對于流場的影響。使用180°弧形板來開孔，分別為3孔、5孔、7孔、9孔，孔均勻排布在弧形板上，大小相等，保證所有計(jì)算堵塞率一致,Pb=40%。因此孔數(shù)越多，相對應(yīng)的孔直徑越小，造型方案如圖7所示。

圖7 不同開孔數(shù)孔板造型

表3為不同孔數(shù)板的AIP界面流場參數(shù)，能看出在堵塞率一致的前提下，孔數(shù)對于AIP界面馬赫數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)影響都很小，都在千分之一量級，幾乎可忽略不計(jì)，孔數(shù)主要影響的還是畸變指數(shù)DC60，隨著孔數(shù)的增加畸變指數(shù)DC60增大，孔數(shù)從3增加到9，畸變指數(shù)最多降低27%。

表3 不同孔數(shù)板對應(yīng)AIP界面流場參數(shù)

圖8所示為4種不同孔徑下的流線分布與AIP界面總壓恢復(fù)系數(shù)σ分布。被弧形板包圍的3塊支板從下至上分別是支板1、支板2、支板3，可以看出，3孔時(shí)孔徑最大，大量高能流體從這3孔涌入，兩側(cè)弧形板邊沿進(jìn)入的繞流流體受到兩側(cè)孔流體的沖擊快速偏轉(zhuǎn)匯入主流。由于中間孔與支板2沒有完全對齊，有一定角度的偏轉(zhuǎn)，中間孔流體進(jìn)入被支板2分為一大一小兩股，大部分流體都被分流到了支板2和支板3之間。因此在支板2和支板3之間的流體摻混比支板1和支板2之間的更加劇烈，產(chǎn)生了更多的流動(dòng)損失，反映到AIP界面上，便能觀察支板1和支板2之間的平均總壓恢復(fù)系數(shù)更高。5孔時(shí)，中間孔的流體幾乎都被分流到了支板2的右邊，就變成了支板2和支板3之間有3股射流混合，支板1和支板2之間有2股射流混合，3股射流摻混損失更大，因此在AIP界面上就反映出支板1和支板2之間的平均總壓恢復(fù)系數(shù)更高。而到了7孔和9孔時(shí)，雖然中間孔的射流還是基本流向了支板2的右邊，但是由于孔數(shù)的增加，孔不斷往弧形板兩邊沿移動(dòng)，7孔時(shí)支板3所對應(yīng)的孔已經(jīng)超過了支板，而且9孔時(shí)已經(jīng)徹底超出支板3，所以在這時(shí)支板之間的射流摻混幾乎一樣多。7孔時(shí)兩邊各有3股射流混合，9孔時(shí)兩邊各有4股射流混合，所以低壓區(qū)變得更加均勻，同時(shí)也能看出孔數(shù)越多，射流越多，在弧形板后也能越快完成氣流的摻混。畸變指數(shù)降低的原因在于孔數(shù)增加，但AIP界面的平均總壓基本不變，但60°低壓區(qū)的平均總壓在更多孔數(shù)時(shí)混合得更均勻，平均總壓更低，因此DC60值降低。

圖8 不同開孔數(shù)孔板流線與AIP界面總壓恢復(fù)系數(shù)分布

3 結(jié)語

本文采用數(shù)值計(jì)算方法研究了徑向進(jìn)氣裝置內(nèi)孔板流動(dòng)規(guī)律，分析了孔板不同開孔數(shù)、不同堵塞率的流動(dòng)規(guī)律，通過研究發(fā)現(xiàn)：

1) 在不帶孔板時(shí)徑向進(jìn)氣裝置的主要流動(dòng)損失來源為對稱翼型支板后的尾跡區(qū)與主流的摻混以及流道彎曲產(chǎn)生的旋渦。

2) 在加入弧形孔板以后，在板上無孔時(shí)，弧形板的周向角度大小對于流場的影響非常明顯，周向畸變指數(shù)DC60隨著弧形板角度的增大而減小，總壓恢復(fù)系數(shù)σ減??；在孔板上孔數(shù)不變時(shí)，隨著堵塞率Pb的減小，總壓恢復(fù)系數(shù)σ和畸變指數(shù)DC60會(huì)上升，AIP界面馬赫數(shù)會(huì)下降。

3) 在孔板上堵塞率Pb不變而孔數(shù)改變時(shí)，隨著孔數(shù)的增加，AIP界面馬赫數(shù)Ma和總壓恢復(fù)系數(shù)σ都幾乎不受影響，而畸變指數(shù)DC60減小，可見影響總壓恢復(fù)系數(shù)σ的主要參數(shù)是流道的堵塞率Pb。