淺談機匣處理直槽寬度對壓氣機間隙流動的影響

摘要：本文以NACA65亞聲速葉柵作為基準，采用數(shù)值模擬的方法，探究了機匣處理直槽寬度對亞聲速三維葉柵間隙流動的影響。

關(guān)鍵詞：機匣處理;直槽寬度;葉尖間隙流動;數(shù)值模擬;壓氣機

1 ?緒論

1.1 通用研究方法

本文采用CFD軟件進行數(shù)值模擬得到相關(guān)數(shù)據(jù)，探究了機匣處理直槽寬度對亞聲速三維葉柵間隙流動的影響。

2 ?模型的建立與計算

2.1 計算模型的建立

（1）本文采用的葉型為NACA65，根據(jù)葉型原始數(shù)據(jù)在CAD軟件中生成二維原型葉柵。

（2）生成面域后，導入gambit中拉伸成三維實體，得到原型三維實體計算域和開槽基準型，通過改變開槽寬度可得變型1（直槽加寬1mm）和變型2（直槽減少1mm）。

2.2 數(shù)值計算方法

2.2.1 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

將計算域分為葉柵上游，葉柵流道，葉柵下游三個部分，以得到高質(zhì)量網(wǎng)格。先在線上設(shè)定好點，再生成面網(wǎng)格。需要設(shè)置進口邊界條件為壓力進口（Velocity inlet），出口邊界條件為壓力出口（Pressure outlet），葉型上下表面分別設(shè)為壁面（Wall），流道前后延伸段設(shè)為周期邊界條件（Periodic），交界面處設(shè)置成interface 。

2.2.2 計算參數(shù)設(shè)置

在fluent軟件中完成以下設(shè)置：

（1）選擇單位為mm;

（2）指令：Define-Model-Viscous model選Spalart-Allmaras模型的Vorticity-based production;

（3）在Boundary Conditons中設(shè)定進口條件;

（4）在Mesh Interfaces中設(shè)置交界面;

（5）調(diào)整精度;

（6）參考壓力（Operating Pressure）：101325Pa;參考溫度（Operating temperature）：288.16K。

2.2.3 計算過程監(jiān)視參數(shù)

所監(jiān)視的參數(shù)包括速度（x，y方向）、能量、連續(xù)性殘差、進口流量、出口流量。所設(shè)定收斂標準為：nut函數(shù)收斂標準定為 ，速度、連續(xù)性、能量殘差下降三個量級以上，進口流量相對誤差小于0.5%，且流量不再發(fā)生變化。

3 ?計算結(jié)果與分析

3.1 截面位置

本文研究的三種計算模型分別為：開槽基準型（槽寬8.3mm）;開槽改型1（槽寬9.3mm）;開槽改型2（槽寬7.3mm）。

計算結(jié)果分析時，考慮到特征位置的因素，分別截取不同的水平界面和豎直截面，這樣就能得到各個計算域不同切面的靜壓，合速度，流線圖，從而進行分析比較。

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 原型沿x方向截面靜壓圖

可以看出，從葉片前緣到尾緣靜壓值逐漸升高。也可以清晰的表示出葉背與葉盆的壓差，圖c截面壓差最大，氣流分離也最嚴重。

3.2.2 原型沿y方向截面靜壓圖

（a）z=0.050m（葉高中部）截面

（b）z=0.096m（葉頂位置）截面

（c）z=0.098m（葉頂間隙中部）截面

由圖3.2（a）中可看出在葉高中部位置，葉盆與葉背之間壓差明顯，說明在該高度幾乎不受二次流動的影響。圖（b）相比于圖（a），葉盆與葉背的壓差已經(jīng)不那么明顯，說明此處受二次流影響，兩側(cè)氣流摻混。圖（c）為間隙中部截面，二次流尤為顯著，尤其是靠近后緣處。

3.2.3 攻角對葉柵流場的影響

機匣直槽深度4mm、寬度為8.3mm時在不同攻角下的無量綱速度分布的對比?？梢钥闯?，當攻角增大時，氣流更早更易出現(xiàn)二次流。

3.2.4 開槽原型沿z方向截面參數(shù)比較

通過比較可以判斷二次流的位置和強弱。在z=0.05mm處基本無二次流動。在z=0.096mm處二次流明顯，在z=0.098mm處葉尖間隙流動更加顯著。由此可得，抑制葉頂間隙流動是抑制二次流的主要措施。

也可以看出在葉片上面靠近葉背尾緣部分會出現(xiàn)低速區(qū)，速度最大位置發(fā)生在葉背靠近前緣的位置。

3.2.5 不同模型在葉片頂部的無量綱速度分布對比

通過對比開槽機匣等值線圖和矢量流線圖。它們的速度同為30m/s，攻角相同。

從流線可以看出，無論是哪一種寬度的槽寬，對改善二次流動都具有顯著的效果。

3.2.6 不同模型在葉片頂部間隙的靜壓分布對比

通過分析各型的靜壓分布圖，其來流速度同為30m/s，攻角為0°。結(jié)果表明，經(jīng)機匣處理后，葉片頂端位置壓力上升明顯。因為機匣開槽后，在槽中形成低速區(qū)，導致壓力升高。

4 ?總結(jié)

（1）機匣處理可以降低吸力面與壓力面的壓差，從而限制二次流的形成于發(fā)展，對提高壓氣機性能具有積極意義。

（2）所選擇的槽寬為7.3mm的處理槽在對間隙流動的影響方面最為有效，對二次流的限制最為明顯。

（3）適度控制進氣攻角可以減弱二次流的強度，但應(yīng)同時考慮進氣攻角對壓氣機旋轉(zhuǎn)失速和喘振的影響。

參考文獻

[1] 李玲.軸流壓氣機機匣處理的數(shù)值模擬與實驗研究[D].北京：北京航空航天大學動力系，1998

【作者簡介】姓名：溫金笛，出生年月：1993.08，性別：女，籍貫：四川遂寧人，民族：漢族，學歷：大學本科，職稱：工程師，研究方向：從事飛機維修研究。