徐 昊,王鎖芳

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016；2.江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

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預(yù)旋噴嘴對預(yù)旋系統(tǒng)溫降特性的數(shù)值研究

徐 昊1,2,王鎖芳1,2

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016；2.江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

預(yù)旋噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有預(yù)旋噴嘴面積、預(yù)旋噴嘴角度和預(yù)旋噴嘴的軸向長度。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了湍流模型，對存在摻混進(jìn)氣的蓋板預(yù)旋系統(tǒng)的溫降特性進(jìn)行數(shù)值模擬。在其他條件一定的情況下，分析了預(yù)旋噴嘴面積、噴嘴角度和噴嘴軸向長度對系統(tǒng)溫降的影響。研究結(jié)果表明：隨著預(yù)旋噴嘴面積增加，噴嘴內(nèi)壓力損失降低，進(jìn)入盤腔內(nèi)的質(zhì)量流量增大，盤腔內(nèi)的靜溫降低，有利于增加預(yù)旋溫降效果；隨著預(yù)旋噴嘴角度的增加，降低了氣流流出噴嘴時(shí)的周向速度，預(yù)旋溫降效果變差；預(yù)旋系統(tǒng)溫降隨預(yù)旋噴嘴軸向長度的增加先增加后降低。

預(yù)旋噴嘴；結(jié)構(gòu)參數(shù)；溫降；摻混進(jìn)氣

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，渦輪前燃?xì)鉁囟纫搽S之不斷提高，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)部件承受著嚴(yán)酷的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此需要對高溫部件進(jìn)行冷卻。目前對渦輪轉(zhuǎn)子葉片的冷卻普遍使用預(yù)旋進(jìn)氣方式。通過預(yù)旋噴嘴使氣體膨脹，噴嘴出口處產(chǎn)生較大的周向速度分量，降低氣流與轉(zhuǎn)盤之間的相對速度，從而達(dá)到降低相對總溫的目的。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了一定研究。Meierhofer 和Franklin[1]測量了真實(shí)形狀的渦輪盤腔中預(yù)旋進(jìn)氣的冷卻效果，從流體運(yùn)動(dòng)和能量的角度進(jìn)行了分析。El-Oun和Owen[2-3]對直導(dǎo)式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了研究，運(yùn)用雷諾相似原理，發(fā)現(xiàn)了氣流相對總溫和旋流比之間的關(guān)系。Popp[4]運(yùn)用CFD軟件對蓋板預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)接受孔和預(yù)旋孔的面積比對預(yù)旋溫降效果起著關(guān)鍵作用。Karabay等[5-8]通過理論分析和試驗(yàn)，對預(yù)旋系統(tǒng)的預(yù)旋性能進(jìn)行了進(jìn)一步分析。國內(nèi)學(xué)者也對預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。劉高文[9-10]對預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了簡化，研究了靜止條件下預(yù)旋噴嘴對盤腔內(nèi)流動(dòng)特性的影響。朱曉華[11]對蓋板預(yù)旋系統(tǒng)的溫降和壓力損失進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)了預(yù)旋系統(tǒng)中影響溫降的因素。徐國強(qiáng)、羅翔[12]對旋轉(zhuǎn)盤腔的流動(dòng)和換熱情況進(jìn)行了研究。王鎖芳[13]對渦輪盤腔進(jìn)行簡化，對直導(dǎo)式預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。

預(yù)旋系統(tǒng)內(nèi)流體的角動(dòng)量主要產(chǎn)生在預(yù)旋噴嘴中,對預(yù)旋溫降有關(guān)鍵性的影響，因此對預(yù)旋噴嘴的分析就顯得至關(guān)重要。前人對預(yù)旋系統(tǒng)的研究集中于無摻混模型，主要關(guān)注預(yù)旋噴嘴內(nèi)的流動(dòng)特性。本文研究了預(yù)旋噴嘴的3個(gè)參數(shù)：預(yù)旋噴嘴面積、預(yù)旋噴嘴角度和預(yù)旋噴嘴的軸向長度。用數(shù)值模擬得到了預(yù)旋噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對預(yù)旋溫降的影響，對發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)旋系統(tǒng)的冷卻降溫和預(yù)旋噴嘴的工程設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 物理模型

本文研究的蓋板預(yù)旋系統(tǒng)模型如圖1所示。主要結(jié)構(gòu)及尺寸為：預(yù)旋噴嘴個(gè)數(shù)為36個(gè)，周向均布，徑向位置Rp=rp/b=0.806；蓋板上的接受孔數(shù)目為36個(gè)，徑向位置Rr=rr/b=0.804；摻混進(jìn)氣的徑向位置Ris=ris/b=0.777；封嚴(yán)出口的徑向位置Ros=ros/b=0.853。

圖1 蓋板預(yù)旋系統(tǒng)模型

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

由于研究對象具有周向?qū)ΨQ性，因此取整體盤腔模型的1/36建立三維模型。轉(zhuǎn)靜腔中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、共轉(zhuǎn)腔中采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)出口處進(jìn)行網(wǎng)格加密。對建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證后，選取網(wǎng)格數(shù)為90萬左右進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

計(jì)算模型分成靜止域和旋轉(zhuǎn)域兩個(gè)部分。進(jìn)氣腔和預(yù)旋噴嘴設(shè)置為靜止域。轉(zhuǎn)靜腔、接受孔和共轉(zhuǎn)腔設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域。計(jì)算模型所有壁面絕熱無滑移。對稱面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件，兩個(gè)進(jìn)口設(shè)定為壓力進(jìn)口邊界，給定進(jìn)口總壓和溫度。出口設(shè)為壓力出口邊界，給定出口靜壓。流體為真實(shí)氣體，考慮可壓縮性，其黏性通過sutherland公式給定。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證和湍流模型選取

圖3 試驗(yàn)設(shè)備布置示意圖

試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)參數(shù)為預(yù)旋噴嘴角度35°，預(yù)旋孔和接收孔個(gè)數(shù)均為36個(gè)。預(yù)旋噴嘴、摻混進(jìn)口、接受孔、主流出口、封嚴(yán)出口的面積比為Ap∶Ais∶Ars∶Ao∶Aos=4∶2∶24∶24∶3。數(shù)值模擬選取了標(biāo)準(zhǔn)k-ε和RNGk-ε兩種湍流模型。選取工況和試驗(yàn)工況相同。圖4為兩種湍流模型計(jì)算值和試驗(yàn)值的比較。可以看出，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值更加接近。轉(zhuǎn)速越高，計(jì)算值與試驗(yàn)值的結(jié)果越接近?？紤]到本文的計(jì)算工況為高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)，因此本文選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

圖4 不同湍流模型下預(yù)旋溫降計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的比較

3 計(jì)算結(jié)果與分析

定義無量綱參數(shù)：

圖5 預(yù)旋噴嘴的幾何參數(shù)

3.1 預(yù)旋噴嘴面積的影響

本節(jié)保證預(yù)旋噴嘴角度θ和軸向長度La不變，研究不同的預(yù)旋面積對預(yù)旋溫降的影響規(guī)律。噴嘴面積的變化范圍為8～29 mm2。

圖6(a)為當(dāng)壓比為1.75和1.85時(shí)，總壓系數(shù)隨預(yù)旋噴嘴面積變化的規(guī)律。由圖中可以看出，隨著預(yù)旋噴嘴面積的增加，總壓系數(shù)隨之降低，不同壓比下的總壓系數(shù)變化規(guī)律一致。預(yù)旋系統(tǒng)的壓力損失主要發(fā)生在預(yù)旋噴嘴中，隨著噴嘴面積的增加，氣體流經(jīng)預(yù)旋噴嘴的阻力大幅度下降，從而使系統(tǒng)的總壓系數(shù)明顯降低。由圖6(b) 可以看出，由于預(yù)旋噴嘴面積的增加，導(dǎo)致總壓系數(shù)降低，從而使進(jìn)入盤腔的無量綱質(zhì)量流量增加，無量綱質(zhì)量流量的變化幅度為214%。由圖6(c)看出，噴嘴出口處的旋流比變化較小，變化幅度為1.7%。圖6(d)給出了預(yù)旋溫降隨噴嘴面積的變化曲線。由圖中看出，隨著預(yù)旋噴嘴面積的增加，溫降效果增加。預(yù)旋系統(tǒng)的溫降效果主要受預(yù)旋噴嘴出口處的旋流比和盤腔內(nèi)的靜溫影響,而靜溫受流進(jìn)盤腔的無量綱質(zhì)量流量的影響。此時(shí)盤腔靜溫的影響起主導(dǎo)因素。氣體在預(yù)旋噴嘴出口處的溫度基本不變，不同半徑的噴嘴對應(yīng)的溫度變化主要發(fā)生在轉(zhuǎn)靜腔中，這是因?yàn)閲娮烀娣e越大，進(jìn)入轉(zhuǎn)靜腔中的預(yù)旋氣流就越多，從而降低了轉(zhuǎn)靜腔中的靜溫。同時(shí)進(jìn)入轉(zhuǎn)靜腔的摻混氣流流量基本不變，越來越多的預(yù)旋氣流與摻混氣流混合，使溫降效果更好，因此預(yù)旋溫降隨著噴嘴面積的增加而增加。

圖6 預(yù)旋性能隨噴嘴面積的變化曲線

圖7為預(yù)旋噴嘴面積不同時(shí)的靜溫云圖。氣流經(jīng)過預(yù)旋噴嘴膨脹加速后以較低的溫度進(jìn)入轉(zhuǎn)靜腔，在轉(zhuǎn)靜腔中與來自摻混進(jìn)氣的高溫氣體混合后穿過接受孔，進(jìn)入共轉(zhuǎn)腔。噴嘴面積較小時(shí)，預(yù)旋氣流流量較少，受摻混氣流的影響較大，盤腔中的靜溫較高；隨著噴嘴面積的增加，通過預(yù)旋噴嘴的冷氣氣流增加，降低了摻混后穿過接受孔的氣流溫度，從而降低了盤腔內(nèi)的靜溫，提升了預(yù)旋系統(tǒng)的溫降效果。

3.2 預(yù)旋噴嘴角度的影響

保證預(yù)旋噴嘴面積和軸向長度不變，研究不同的噴嘴角度對預(yù)旋溫降的影響規(guī)律。預(yù)旋噴嘴的變化范圍為15°～35°。

圖8(a)是壓比分別為1.65和1.75時(shí)不同的預(yù)旋噴嘴角度對預(yù)旋系統(tǒng)溫降的影響。由圖可見，在兩種進(jìn)氣壓比下相應(yīng)曲線的變化趨勢基本上是一致的，隨著預(yù)旋噴嘴角度的增加，預(yù)旋溫降效果逐漸降低。由圖8(b)可見，無量綱質(zhì)量流量隨著預(yù)旋噴嘴角度的增加而增加，增加幅度為6.38%。圖8(c)為預(yù)旋噴嘴出口旋流比和噴嘴角度的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，噴嘴出口的旋流比隨著預(yù)旋噴嘴角度的增加而降低，降低幅度為14%。此時(shí)旋流比的變化對預(yù)旋溫降的影響起主要作用。隨著預(yù)旋噴嘴角度的增加，氣流流出預(yù)旋噴嘴時(shí)的旋流比降低，預(yù)旋溫降效果變差。

圖7 不同噴嘴面積下的靜溫云圖

圖8 預(yù)旋性能隨噴嘴角度的變化曲線

圖9為氣流經(jīng)過預(yù)旋噴嘴軸線截面的速度矢量圖。氣流進(jìn)入進(jìn)氣腔后流向預(yù)旋噴嘴，氣流在預(yù)旋噴嘴內(nèi)發(fā)生了較大的分離，使噴嘴內(nèi)形成喉道。在噴嘴進(jìn)口處，由于氣流的拐角過大，邊界層不再附壁，產(chǎn)生了一個(gè)明顯的速度分離區(qū)，對流動(dòng)產(chǎn)生了阻礙，造成了流動(dòng)損失。由圖中可以看出，預(yù)旋噴嘴角度越小，速度分離區(qū)就越大，造成的流動(dòng)損失也越大，從而降低了預(yù)旋噴嘴的出口壓力。

圖9 不同噴嘴角度下的速度矢量圖

3.3 軸向長度的影響

本節(jié)在保證預(yù)旋噴嘴面積和角度不變的情況下，通過改變預(yù)旋噴嘴的軸向長度來改變長徑比，研究不同的軸向長度對預(yù)旋溫降的影響規(guī)律。長徑比的變化范圍為2～12。

由圖10可以看出，當(dāng)壓比不同時(shí)，預(yù)旋溫降隨著軸向長度的改變規(guī)律趨勢是一樣的，隨著軸向長度的增加先增加后降低。氣流在預(yù)旋噴嘴中受到噴嘴拐角的影響，形成了一個(gè)喉道，氣流先膨脹加速，當(dāng)速度達(dá)到最大值后開始逐漸降低。當(dāng)軸向長度較小時(shí)，氣流沒有經(jīng)過充分的預(yù)旋直接通過噴嘴，氣流流出噴嘴時(shí)的周向速度較低，因此溫降效果較差。隨著軸向長度的逐漸增加，氣體速度在喉道中達(dá)到最大值，此時(shí)氣體直接流出噴嘴進(jìn)入轉(zhuǎn)靜腔，氣流的周向速度較大，溫降效果最好。隨著軸向長度繼續(xù)增加，氣流在噴嘴中開始減速，氣流流出噴嘴的周向速度開始降低，溫降效果逐漸變差。

圖10 預(yù)旋溫降隨噴嘴軸向長度的變化曲線

圖11為預(yù)旋盤腔中的馬赫數(shù)云圖。由圖11可以看出：當(dāng)長徑比為2.6時(shí)，氣流在預(yù)旋噴嘴出口處正好達(dá)到最大馬赫數(shù)，此時(shí)氣流的速度較大。當(dāng)長徑比為5.9時(shí)，氣流經(jīng)過噴嘴時(shí)馬赫數(shù)先增加后逐漸降低，氣流流出噴嘴出口時(shí)的速度變小。因此，在預(yù)旋噴嘴軸向長度的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)合理的軸向長度，使氣流在預(yù)旋噴嘴中以最大速度從噴嘴中流出，此時(shí)能獲得最大的周向速度，從而提高預(yù)旋氣體的溫降效果。

4 結(jié)論

本文針對預(yù)旋噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)驗(yàn)證后選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對預(yù)旋系統(tǒng)的溫降情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了預(yù)旋噴嘴面積、預(yù)旋噴嘴角度、預(yù)旋噴嘴軸向長度3種結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。主要結(jié)論如下：

1)預(yù)旋噴嘴面積的增加可以降低總壓系數(shù)，增加進(jìn)入盤腔的質(zhì)量流量，降低盤腔內(nèi)的靜溫，從而提高預(yù)旋系統(tǒng)的溫降效果。

2)預(yù)旋噴嘴角度的增加降低了氣流流出噴嘴時(shí)的周向速度，使旋流比降低，從而導(dǎo)致預(yù)旋系統(tǒng)的溫降效果變差。

3)氣流在噴嘴中先膨脹加速，然后速度逐漸降低，因此應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)合理的噴嘴軸向長度，使氣流在預(yù)旋噴嘴中以最大速度從噴嘴中流出，提高預(yù)旋氣體的溫降效果。

圖11 不同預(yù)旋噴嘴長度的馬赫數(shù)云圖

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Numerical Research on Influences of Pre-Swirl Nozzle on Temperature Reduction Characteristic of Pre-Swirl System

XU Hao1,2, WANG Suo-fang1,2

(1.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 21001, China; 2. Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power Systems, Nanjing 210016, China)

The structure parameters of pre-swirl nozzle include pre-swirl nozzle area, pre-swirl angle and the axial length of pre-swirl nozzles. The selected turbulence model was valid by experiments and the numerical simulation was conducted to investigate the temperature reduction of a cover-plate pre-swirl system with the seal leakage flow. Under the certain conditions, the influence of temperature reduction was carried out by changing pre-swirl nozzle area, pre-swirl angle and the axial length of pre-swirl nozzles. The results show that with the increase of the pre-swirl nozzle area, the pressure loss decreases in the nozzle, the mass flow rate increased and static temperature reduces, which is helpful to the temperature reduction. With the increasing of the pre-swirl nozzle angle, circumferential velocity is smaller and the temperature reduction is lower. Temperature reduction takes on an up-down tendency with the increasing of the axial length of pre-swirl nozzles.

pre-swirl nozzle; structure parameters; temperature reduction; seal leakage

2014-10-20 作者簡介：徐昊(1990—)，男，江蘇人，碩士研究生，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)與冷卻研究。

徐昊,王鎖芳.預(yù)旋噴嘴對預(yù)旋系統(tǒng)溫降特性的數(shù)值研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(3):30-36.

format：XU Hao, WANG Suo-fang.Numerical Research on Influences of Pre-Swirl Nozzle on Temperature Reduction Characteristic of Pre-Swirl System[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):30-36.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.007

V231.2

A

1674-8425(2015)03-0030-07