陳英濤+趙長宇+劉志剛+徐讓書

摘 要：通過數(shù)值模擬的方法，研究了某葉柵風洞噴管有橫向偏差時，葉柵試驗器空風洞的端壁邊界層、柵前流場均勻性。得到偏差對葉柵出口流場均勻性的影響情況。

關鍵詞：葉柵風洞；安裝偏差；流場均勻性；數(shù)值模擬

中圖分類號：V211.74 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0013-04

Abstract： By means of numerical simulation， the uniformity of the boundary layer and front flow field in the end wall and front of the cascade wind tunnel is studied when the nozzle of a cascade wind tunnel has a transverse deviation. Thus， the influence of the deviation on the flow field uniformity at the outlet of the cascade is obtained.

Keywords： cascade wind tunnel； installation deviation； flow field uniformity； numerical simulation

1 概述

針對某型葉柵試驗器葉柵前流場存在不均勻的情況，通過分析確定了影響的主要因素。一是葉柵試驗器試驗段前方到穩(wěn)定段后的試驗器流道壁面對流場的影響，二是葉柵試驗器的實驗件對流場的影響。因此，針對葉柵試驗器流場的數(shù)值模擬研究將主要圍繞這兩個方面展開。本文是針對第一個內(nèi)容進行分析，即在葉柵試驗器未安裝葉柵實驗件時，試驗段前部壁面對葉柵試驗段前流場的影響。

通過數(shù)值模擬，對現(xiàn)有試驗器空風洞時，模擬在安裝噴管有橫向偏差時，對葉柵前流場的影響，流場數(shù)據(jù)分析中找到影響葉柵出口流場均勻性的主要因素。

2 計算模型

2.1 試驗器從穩(wěn)定段到試驗段空風洞的流場模型建立

根據(jù)安裝的實際情況，風洞噴管收縮段與入口有1mm橫向安裝偏差?；诮Y(jié)構對稱分布的特點，經(jīng)對稱處理后，本文建立了1/2流場三維模型。模型空間結(jié)構如圖1所示。

本模型劃分網(wǎng)格前預先進行拓撲，采用了結(jié)構性網(wǎng)格，保證模擬流場的網(wǎng)格質(zhì)量。該模型的空間拓撲處理及透視結(jié)構見圖2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

計算域網(wǎng)格采用計算流體動力學（CFD）網(wǎng)格劃分程序Gambit2.4劃分，在整個流動區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量達到450萬網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格平均間距為0.5mm，5層，厚度0.3mm。流場模型的網(wǎng)格化分和處理如圖3、圖4所示。其中圖3為流場網(wǎng)格的軸測圖，圖4為收縮段出口與噴管段入口截面的1mm橫向偏差的局部放大圖。

2.3 控制方程

連續(xù)性的控制方程包括質(zhì)量守恒方程[1]。

（1）

在模型的計算中使用了K-e雙方程湍流模型，采用隱式simple算法進行迭代。經(jīng)過5700步迭代，殘差收斂曲線穩(wěn)定[3]，殘差收斂曲線見圖5所示。

2.4 初始及邊界條件

由于實際實驗中，實驗沒有給出對應狀態(tài)的入口和出口壓力數(shù)值。故，根據(jù)流場Ma數(shù)相似原理，給定了各模擬狀態(tài)的總壓和出口大氣壓[5]。邊界條件具體設定參數(shù)詳見表1。

3 計算

通過模擬計算得到出口Ma分別為0.75、0.86、0.91時，噴管段入口與收縮段出口的流場情況如圖6、圖7、圖8所示。

從圖6至圖8的計算結(jié)果可以看出，雖然風洞噴管收縮段與入口有1mm橫向安裝偏差，但流場的橫向、縱向切面或出口截面，流場并沒有出現(xiàn)突變，只是邊界層稍有增厚，在出口截面的Ma數(shù)分布還是均勻的。

圖9、圖10顯示了在噴管段入口有1mm橫向偏差處Ma數(shù)分布的局部區(qū)域放大圖。

模擬進口Ma為0.86和0.91情況下，出口流場情況如圖11、圖12所示。

從圖11、圖12的計算結(jié)果基本上與出口Ma為0.75結(jié)論一樣，邊界層稍有增厚，在出口截面的Ma數(shù)分布還是均勻的。

4 結(jié)果分析

根據(jù)上述計算結(jié)果，繪出Ma為0.76、0.86、0.91三種狀態(tài)下噴管出口截面的Ma數(shù)分布，如圖13所示。

通過圖13可以看出，三種情況下，出口截面水平方向Ma數(shù)分布情況基本一致。但，由于1mm橫向安裝偏差存在，流道內(nèi)流場的均勻性出現(xiàn)變化。在偏差處出現(xiàn)低速的渦流區(qū)（藍色低速區(qū)域），導致下游的壁面邊界層變厚。

便于分析偏差的影響，將噴管無偏差的該位置Ma數(shù)分布與噴管存在1mm偏差的Ma分布曲線放置在同一張曲線圖中，得到圖14。

如圖14所示，出口Ma為0.76、0.911時，噴管安裝偏差并沒有影響噴管出口流場均勻性。

綜上，噴管橫向安裝偏差形成的臺階尺寸小，基本包含在氣流的邊界層內(nèi)，故未對空間大尺度流場造成實質(zhì)性影響，但會導致下游氣流邊界層厚度略有變化。在流道向外偏差一側(cè)，邊界層為22mm，在流道向內(nèi)偏差一側(cè)，邊界層厚度保持不變，為20mm左右。上述參數(shù)滿足國軍標對于空風洞流場質(zhì)量的標準。故，噴管安裝存在1mm內(nèi)的偏差不會對葉柵試驗器風洞出口流場均勻性產(chǎn)生嚴重影響。

參考文獻：

[1]ANSYS， Inc. ANSYS Fluent Theory Guide. 2013，11.

[2]徐讓書，林銳，等.高亞聲速近壁流場模擬裝置研究[J].空氣動力學報，2013（2）：210-213.

[3]徐讓書，李俊，等.航空發(fā)動機滾動軸承內(nèi)油氣兩相流動與溫度場的數(shù)值模擬[J].潤滑與密封，2014（3）：91-95.

[4]張雅，劉淑艷，王保國，等.應力模型在三維湍流流場計算中的應用[J].航空動力學報，2005，22（4）：91-576.

[5]劉應中，繆國平.高等流體力學[M].上海交通大學出版社，2001.

[6]楊康智，陳春鵬.海鷗300飛機尾旋特性風洞試驗研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（07）：12-13.

[7]劉卓.基于小波分析的航空發(fā)動機氣動失穩(wěn)信號分析方法[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（03）：57.endprint