一種新型進氣畸變設(shè)計體系研究

崔佳航, 李江紅, 李曉宇, 董素艷, 蔡飛超, 范瑋

(1.西北工業(yè)大學 動力與能源學院, 陜西 西安 710072; 2.中國飛行試驗研究院, 陜西 西安 710089)

航空發(fā)動機氣動穩(wěn)定性是保障飛行安全的重要前提,在研究各項降穩(wěn)因子對發(fā)動機穩(wěn)定性影響時,進氣總壓畸變與壓氣機喘振裕度的相關(guān)程度最大。因此,深入研究進氣畸變特性,可以確保發(fā)動機在存在進氣畸變的情況下仍能保持穩(wěn)定運行[1]。進氣畸變試驗是判定發(fā)動機穩(wěn)定性的重要手段[2]。在地面畸變試驗中,重現(xiàn)進氣畸變圖譜的模擬裝置被稱為進氣畸變發(fā)生器。

俄羅斯和美國在進氣畸變發(fā)生器的研究中積累了大量的經(jīng)驗,因此,在航空發(fā)動機進氣畸變氣動穩(wěn)定性上形成了完整的判定指南[3]。俄羅斯擁有比較完善的工程體系,采用最少的費用和最簡便的方法實現(xiàn)試驗?zāi)康?而美國擁有比較完整的概念和理論。我國在進氣畸變模擬試驗與研究中,主要采用模擬板來產(chǎn)生進氣總壓畸變,并且已經(jīng)取得了一定的進展和成果[4]。

國內(nèi)關(guān)于進氣畸變的研究是從20世紀70年代中期才陸續(xù)發(fā)展起來的,在設(shè)計體系方面,為了有效解決工程問題,大多采用試驗手段建立半理論、半經(jīng)驗公式,但是,總壓畸變試驗需要昂貴的費用和長周期[5],故早期并未建立起完善的進氣畸變研究方法體系。在設(shè)計效率方面,隨著計算機性能的不斷提升,CFD數(shù)值計算分析的研究也逐漸得到關(guān)注。然而,進氣畸變發(fā)生器設(shè)計仍然依賴于試湊和調(diào)整,并且缺乏阻力分布對應(yīng)的數(shù)學模型,設(shè)計速度與設(shè)計精度較低[6]。在加工工藝方面,傳統(tǒng)的模擬網(wǎng)由金屬絲編織而成,強度效果不好而且制造過程復(fù)雜,精度不高[7]。

因此,本文圍繞進氣畸變發(fā)生器的設(shè)計方法展開研究,提出了一套仿真與試驗相結(jié)合的畸變發(fā)生器設(shè)計框架?；趯儓D譜的分析,又創(chuàng)新地建立了多孔介質(zhì)模型的設(shè)計流程,提高了迭代速度和設(shè)計精度。在結(jié)構(gòu)方面,采用了骨架-基網(wǎng)-畸變網(wǎng)3層結(jié)構(gòu)的進氣畸變發(fā)生器,采用了新型加工工藝與“井”字形骨架結(jié)構(gòu)來提高畸變發(fā)生器性能與強度。驗證了畸變發(fā)生器縮比模型在風洞吹風試驗中的畸變效果,并據(jù)此迭代地修正了仿真設(shè)計模型。最后完成了真實尺寸畸變發(fā)生器的設(shè)計、加工、試驗與修正的迭代工作。

1 畸變系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計基礎(chǔ)

1.1.1 畸變模擬裝置選擇

在進氣畸變模擬試驗時,通常采用插板擾流器、網(wǎng)格畸變模擬器和紊流發(fā)生器等模擬裝置,這些裝置應(yīng)用廣泛,具備各自的特點[8-10]。插板擾流器使氣流經(jīng)過后形成低壓區(qū),從而在邊緣形成強烈的紊流。插板擾流器的優(yōu)點在于通用性好、擾流范圍寬,但是缺點在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且不能模擬具體的畸變圖譜。紊流發(fā)生器用來模擬流場下游界面的隨機脈動,能夠同時滿足穩(wěn)態(tài)和動態(tài)畸變指數(shù)的模擬,但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,并且不適用于大涵道比發(fā)動機的進氣畸變試驗[11]。模擬網(wǎng)裝置使用比較簡單,可以實現(xiàn)采用最少量的傳感器得到詳細的畸變指數(shù),畸變的穩(wěn)態(tài)性能更好。同時考慮到本文主要研究大涵道比渦扇發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性,選擇畸變模擬網(wǎng)作為本文的研究對象。

1.1.2 畸變指數(shù)

畸變指數(shù)是反映畸變對氣動穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵指標,本文采用一種穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)IDC[4],由(1)式定義

(1)

每一個環(huán)面的進氣畸變指數(shù)計算方法

(2)

式中:ptavg,i為環(huán)面平均總壓,即每個環(huán)面上8個測點總壓的算術(shù)平均值;ptmin,i為環(huán)面最低總壓,即每個環(huán)面上8個測點的總壓最小值;ptfavg為截面平均總壓,即截面上40個測點總壓的算術(shù)平均值。

1.1.3 畸變網(wǎng)的仿真設(shè)計修正方法

本文采用了基于試驗數(shù)據(jù)的仿真設(shè)計修正方法,已知氣流經(jīng)過畸變網(wǎng)格后的總壓損失通?？杀硎緸閇12]

(3)

可知,壓力損失與網(wǎng)格稠度正相關(guān),若要增大高畸變區(qū)壓力損失值,則增大畸變網(wǎng)格稠度,相反,則減小畸變網(wǎng)格稠度。

1.2 氣動設(shè)計

畸變網(wǎng)模型簡化為多孔介質(zhì)模型的設(shè)計流程方法,如圖1所示。

圖1 多孔介質(zhì)模型設(shè)計流程

1.2.1 畸變網(wǎng)阻力特性分析

畸變網(wǎng)是引起氣流畸變的部件,圖2為畸變網(wǎng)計算模型。

圖2 畸變網(wǎng)計算模型

湍流模型:k-ω湍流模型[13];進口條件:速度進口,速度范圍為120～220 m/s;出口邊界條件:壓力出口,背壓0 Pa;溫度條件:總溫288.15 K;壁面條件:對稱壁面;操作壓力:設(shè)定操作壓力為101 325 Pa。

本文采用Fluent進行畸變網(wǎng)仿真設(shè)計與分析,網(wǎng)格尺寸采用基于基礎(chǔ)尺寸百分比的控制方法,基礎(chǔ)尺寸設(shè)置為d,最小尺寸為0.1d,目標尺寸為5d。計算過程中進行尾跡加密,提高數(shù)值仿真精度。設(shè)計之初進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證,如表1所示。當網(wǎng)格數(shù)大于800萬時,壓力損失偏差小于0.3%,為節(jié)約計算資源,后續(xù)研究采用800萬網(wǎng)格模型。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

根據(jù)圖3所示,得到在不同絲網(wǎng)間距下(3,4,5,6,10,20,30 mm)的壓力損失,隨著進口速度的增加,壓力損失也逐漸增加。此外,絲網(wǎng)間距越小,壓力增長速度越快。

圖3 不同間距絲網(wǎng)壓力損失對比

1.2.2 基于多孔介質(zhì)模型的設(shè)計方法

多孔介質(zhì)模型由固體物質(zhì)的骨架和骨架之間的孔隙構(gòu)成。通常把含有規(guī)則、連通或任意形狀的洞穴及其固體介質(zhì)組成的材料稱為多孔介質(zhì)[14]。多孔介質(zhì)模型計算域內(nèi)的控制方程如下:

連續(xù)方程

(4)

動量方程

(5)

能量方程

分布式阻力是多孔介質(zhì)模型中一個重要概念,是由于固體骨架的存在而附加在流體上的分布阻力。因此,多孔介質(zhì)動量方程中的壓降源項包含兩部分,一部分是黏性壓降pv,一部分是慣性壓降pi。其中黏性壓降與速度呈線性關(guān)系,慣性壓降與速度呈二次方關(guān)系。壓降通常簡化為速度與壓力的關(guān)系,如(7)式所示。

Δp=-ρ(α|vn|+β)vn

(7)

通過對比多孔介質(zhì)不同孔隙的性能與絲網(wǎng)不同間距的性能,利用插值法建立了多孔介質(zhì)孔隙和不同絲網(wǎng)間距的映射關(guān)系,如圖4所示。

圖4 多孔介質(zhì)孔隙率和絲網(wǎng)間距關(guān)系

通過仿真迭代得到目標圖譜所需阻力分布時,表明基于多孔介質(zhì)的仿真設(shè)計滿足要求,即可借助插值關(guān)系得到對應(yīng)的絲網(wǎng)間距。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖5所示,本文的畸變發(fā)生器采用具有骨架、基網(wǎng)和畸變網(wǎng)的3層結(jié)構(gòu),通過激光切割加工畸變網(wǎng)和基網(wǎng)。這種方式加工成的畸變網(wǎng),不僅過程更簡單,而且精度也更高。此外,骨架采用“井”字形布局方案,不僅強度更高,而且對流場的干擾也更小,進一步提高了畸變發(fā)生器的性能和穩(wěn)定性。

圖5 畸變發(fā)生器結(jié)構(gòu)方案示意圖

為了確?；儼l(fā)生器的強度,本文使用流固耦合對畸變發(fā)生器進行強度校核,表2是設(shè)計效果匯總。

表2 目標圖譜畸變發(fā)生器縮比模型設(shè)計效果

2 畸變系統(tǒng)試驗

本文選定如圖6所示的目標畸變網(wǎng)圖譜進行設(shè)計,其圖譜畸變指數(shù)(IDC)為15%。

圖6 目標畸變圖譜

本文首先對測試系統(tǒng)進行設(shè)計與校準,其次進行1∶5縮比模型畸變發(fā)生器的試驗驗證-仿真設(shè)計-試驗驗證的迭代過程,最終,設(shè)計畸變發(fā)生器真實尺寸模型。

2.1 測試系統(tǒng)設(shè)計與校準

2.1.1 測試系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)主要由穩(wěn)態(tài)總壓測量耙和壓力信號采集系統(tǒng)組成,如圖7所示。

圖7 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測壓耙是風洞試驗中采集流場參數(shù)信息的重要裝置,用于采集內(nèi)部流場或者外部流場的壓力數(shù)據(jù)[15],本文測壓耙采用3D打印技術(shù),有效縮短測壓耙制造時間,同時提高機械設(shè)計自由度。本文壓力數(shù)據(jù)采集電路板采用STM32作為主控芯片,每個電路板實現(xiàn)5個測試通道壓力數(shù)據(jù)同時采集和實時傳輸。

2.1.2 測試系統(tǒng)校準

在進行風洞試驗之前,應(yīng)對壓力測試系統(tǒng)進行校準,從而避免因測試系統(tǒng)的問題而影響試驗結(jié)果。在校準風洞中測試測壓耙每個測量通道的總壓損失值,圖8為其中一個測壓耙校準試驗得到的數(shù)據(jù),試驗共測得30個數(shù)據(jù)點。結(jié)果顯示每個測試通道與風洞出口總壓值差距較小,最大不超過0.2 kPa,滿足測量需求。

圖8 測壓耙風洞校準數(shù)據(jù)

2.2 縮比模型試驗驗證

經(jīng)過仿真計算確認畸變發(fā)生器縮比模型的畸變效果符合設(shè)計目標后,進行風洞試驗驗證,并根據(jù)試驗結(jié)果對仿真設(shè)計模型進行修正。

2.2.1 幾何結(jié)構(gòu)及性能驗證

圖9所示為300 mm縮比模型試驗件實物圖。流量管內(nèi)徑300 mm,長度751 mm,畸變發(fā)生器安裝軸向位置距離氣動原點500 mm。試驗過程中氣流從鐘形口流入,試驗流量為13 kg/s。

圖9 300 mm縮比模型實物圖

應(yīng)用激光切割的方法加工縮比模型的畸變網(wǎng)和基網(wǎng),激光切割加工精度高,可以達到0.1 mm甚至更高。圖10a)為直徑300 mm畸變發(fā)生器的基網(wǎng),圖10b)為畸變圖譜的畸變網(wǎng)。

圖10 畸變發(fā)生器縮比模型基網(wǎng)與畸變網(wǎng)

利用仿真計算工具,分析縮比模型畸變發(fā)生器的畸變效果,仿真計算得到的畸變指數(shù)為13.9%。

2.2.2 試驗驗證與修正

圖11為試驗獲得的畸變圖譜,經(jīng)計算得到實際畸變指數(shù)為12.3%。觀察結(jié)果表明,即使在沒有設(shè)置畸變網(wǎng)格的位置也會產(chǎn)生總壓損失,這是由于骨架和基網(wǎng)對氣流也有一定的阻力。與目標圖譜進行對比后,發(fā)現(xiàn)畸變指數(shù)的誤差超過了2.0%,因此需要進一步修正。

圖11 畸變發(fā)生器縮比模型實驗圖譜

圖12a)～12b)分別為127 mm葉高和143 mm葉高處目標值與試驗值對比圖。在127 mm葉高處,目標值總壓損失最大為20%,而實際總壓損失約為15%,在143 mm葉高處,目標值最大總壓損失約為22%,而實際值約為17%,實際總壓損失值均低于目標值。

圖12 不同葉高目標值與試驗值對比圖

基于上述試驗數(shù)據(jù)修正畸變網(wǎng)設(shè)計模型,在壓力損失低于目標值的畸變區(qū)域內(nèi)設(shè)置若干個實心網(wǎng)格以增大壓力損失。圖13為修正前后畸變網(wǎng)設(shè)計模型。

圖13 畸變網(wǎng)仿真設(shè)計與修正后的模型

圖14為畸變網(wǎng)修正后試驗結(jié)果。畸變指數(shù)IDC為16.2%,與目標值誤差值小于1.5%。

圖14 畸變網(wǎng)修正后畸變試驗結(jié)果

2.3 真實尺寸的驗證

2.3.1 幾何結(jié)構(gòu)

根據(jù)某型渦扇發(fā)動機進氣畸變試驗要求,進行1∶1的畸變發(fā)生器設(shè)計。1∶1的畸變發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)與1∶5縮比模型一致,仍然采用畸變網(wǎng)-基網(wǎng)-骨架3層結(jié)構(gòu),與縮比模型不同的是,需要增加機匣部件以提供與地面試驗臺前后端流量管的接口。

2.3.2 性能驗證

利用仿真計算工具,分析真實尺寸畸變發(fā)生器的畸變效果和結(jié)構(gòu)強度。仿真計算的過程與縮比模型的驗證過程相同。圖15示為真實尺寸畸變發(fā)生器畸變效果圖示,觀察畸變圖譜,畸變區(qū)域與目標圖譜匹配性較高,仿真計算得到的畸變指數(shù)為15.5%,與目標值相差值在1.5%以內(nèi)。

圖15 畸變發(fā)生器真實模型畸變效果

3 結(jié) 論

本文圍繞進氣畸變發(fā)生器設(shè)計展開研究工作,首次提出了一套仿真與試驗相結(jié)合的畸變發(fā)生器設(shè)計流程,完成了縮比模型和真實尺寸的畸變發(fā)生器的仿真設(shè)計、試驗與修正工作,設(shè)計結(jié)果明,畸變發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、逼近目標圖譜效果準確、設(shè)計過程迭代速度快,并且在設(shè)計過程中得出以下結(jié)論:

1) 提出了試驗驗證-仿真設(shè)計修正-試驗驗證的完整設(shè)計流程。結(jié)果顯示,在縮比模型和真實模型中,通過基于試驗數(shù)據(jù)修正仿真設(shè)計模型后,實際的畸變指數(shù)與設(shè)計目標的誤差小于1.5%。

2) 提出了將畸變網(wǎng)網(wǎng)格簡化為多孔介質(zhì)模型設(shè)計畸變網(wǎng)幾何模型的方法,建立了絲網(wǎng)間距與孔隙率的映射關(guān)系,方便進行畸變網(wǎng)幾何模型設(shè)計。

3) 通過對比3種進氣畸變模擬裝置的特性,證明畸變模擬網(wǎng)裝置更適合作為大涵道比渦扇發(fā)動機的畸變發(fā)生器。

4) 提出整體畸變模擬器新型加工工藝,加工的畸變網(wǎng)強度高、安全性好、精度高、加工過程簡單。