直升機防砂裝置?；睦碚摵蛯嶒炑芯?/h1>
2021-12-20 06:39:44劉冬冬李星萍
中國設(shè)備工程 2021年22期
劉冬冬，李星萍
（中國直升機設(shè)計研究所，天津 300000）
1 前言
直升機作為一種重要的空中平臺，需要經(jīng)常近地面懸停、起飛和著陸以及在海面上方懸停和飛行，環(huán)境中的砂塵、雨雪等異物若通過進氣道進入發(fā)動機，將不可避免的對發(fā)動機的安全運行產(chǎn)生較大威脅，包括發(fā)動機葉片的磨損、燃燒室耐熱磁漆涂層磨損、破壞轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)子平衡、堵塞葉片冷卻通道等，嚴重時甚至危及直升機的飛行安全。因此安裝防砂裝置就成了直升機進氣防護中的重要手段。
多管式粒子分離器作為直升機上應(yīng)用最為廣泛的進氣防護裝置，其基本單元為渦旋管。由于渦旋管的孔徑尺寸相比于防砂裝置整體的尺寸較小，且防砂裝置中渦旋管的數(shù)量一般較多，對全部渦旋管進行三維建模及前處理的工作量及時間成本將會十分巨大，同時對如此龐大的網(wǎng)格模型進行流場仿真也將耗費巨大的計算資源。為能夠在可接受的計算量和時間周期內(nèi)獲得較為準(zhǔn)確地計算結(jié)果，采用多孔介質(zhì)模型對防砂面板進行?；幚肀愠蔀榻鉀Q方案之一。
多孔介質(zhì)作為流體仿真中典型的阻力模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了直升機等航空相關(guān)的研究領(lǐng)域當(dāng)中。常柱宇等人在2014年通過多孔介質(zhì)模型模擬了發(fā)動機滑油濾網(wǎng)的壓力變化，證明了多孔介質(zhì)的有效性。唐進城等人在2019年基于多孔介質(zhì)模型對某型直升機防護網(wǎng)進行了流場仿真，通過仿真與實驗數(shù)據(jù)的對比，證明了仿真誤差在工程可接受的范圍內(nèi)，驗證了該仿真方法的可行性。嚴雄在2020年利用多孔介質(zhì)對某型直升機的的散熱器進行了仿真分析，大大降低了計算量和計算周期，為冷卻系統(tǒng)的快速設(shè)計提供了參考。
目前通過多孔介質(zhì)對防砂裝置?；南嚓P(guān)研究還較少，缺乏系統(tǒng)的分析和實驗數(shù)據(jù)，本文采用多孔介質(zhì)對防砂裝置面板進行?；?，并設(shè)計了一套實驗臺進行測試及驗證，詳細考察了實驗?zāi)Ｐ驮诓煌膾邭獗群椭髁髁肯碌男阅茏兓Ｍ瑫r通過數(shù)值計算與實驗數(shù)據(jù)的對比，獲取了多孔介質(zhì)模型的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，驗證了多孔介質(zhì)模型的有效性和準(zhǔn)確性，并給出了在實驗?zāi)Ｐ头糯蠹s12倍后的性能預(yù)測，可對放大后模型的進一步優(yōu)化及分析提供指導(dǎo)。
2 防砂裝置的分析方法
如圖1所示為渦旋管的砂塵分離原理示意圖。其中渦旋管作為直升機防砂裝置的核心元部件，主要包括上游管、下游管以及中間的渦旋葉片，當(dāng)帶有砂塵顆粒的空氣被吸入渦旋管后，氣流在渦旋管內(nèi)部的渦旋葉片帶動下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，砂塵顆粒被旋轉(zhuǎn)的氣流攜帶著甩向管內(nèi)壁，之后由渦旋管上游管和下游管之間的通道甩出并進入排砂通道，最終通過排砂風(fēng)扇或者引射裝置驅(qū)動砂塵排出機體。而干凈的空氣則通過下游管進入進氣道，用以滿足發(fā)動機的進氣需求。
圖1 渦旋管結(jié)構(gòu)簡圖
渦旋管中排砂氣流流量與通過下游管出口的氣流流量之比即為掃氣比φ，其表達式為，
式中，V2為排砂流量，V1為通過下游管出口的氣流流量。渦旋管對進入內(nèi)部的砂塵等外來物的分離能力可用分離效率ηW表示，即為，
其中，W1是單位時間內(nèi)離開渦旋管下游管出口的空氣中所含砂塵等外來物的重量，W2是單位時間內(nèi)由渦旋管上游管和下游管之間的通道甩出進入排砂通道的砂塵等外來物的重量。
由于渦旋管中葉片會對進入氣流帶來一定的壓力損失，因此在考察壓力場時，可用多孔介質(zhì)模型對其進行代替。多孔介質(zhì)是一種特殊的流體域，可將流動區(qū)域中固體結(jié)構(gòu)的作用看做是附加在流體上的分布阻力。因此在動量方程中添加一個動量源項Si用來模擬多孔介質(zhì)的阻力效果，源項由兩部分組成，一部分是粘性項，另一部分是慣性項。本文采用均勻多孔介質(zhì)?；瘻u旋管區(qū)域的流動，其表達式為，
式中，α為滲透率，1/α為粘性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)。
對于整個防砂裝置的壓力場考察，可通過總壓恢復(fù)系數(shù)和壓力畸變指數(shù)來進行表征?？倝夯謴?fù)系數(shù)σ為，
其中為防砂裝置出口截面平均總壓，為采用20°扇形環(huán)面的流量加權(quán)平均值，p0為進口截面平均總壓。
壓力畸變指數(shù)DC為，
其中，防砂裝置出口截面按扇形20°等分，60為相鄰20°扇形所組成的60°扇形面的平均總壓最小值。
3 實驗系統(tǒng)
實驗裝置主要由實驗件、主通道、排砂通道、砂塵過濾箱、孔板流量計以及驅(qū)動風(fēng)機等組成，如圖2所示。實驗件連接主通道，通過主通道上的驅(qū)動風(fēng)機進行抽吸，以模擬發(fā)動機進氣。在實驗件的一側(cè)引出圓形管道作為排砂通道，排砂通道末端通過驅(qū)動風(fēng)機進行抽吸，產(chǎn)生排砂效果。實驗測試中，在實驗件出口（即主通道的入口）設(shè)置取壓點用以測量防砂裝置的壓力損失，在砂塵過濾箱中設(shè)置過濾棉用以收集實驗件排出砂塵的重量，從而計算出分離效率。實驗中通過孔板流量計分別測量主通道及排砂通道的流量及流速。
圖2 防砂裝置實驗測試裝置
圖3所示為實驗件的三維結(jié)構(gòu)，包括5塊防砂面板及相應(yīng)的排砂管。實驗中采用5個噴槍同時向?qū)嶒灱?個渦旋管面板噴出砂塵，實驗中采用ISO12103-1A4砂塵，濃度為1.4g/m3，實驗砂塵總質(zhì)量為1kg，噴砂時間由主流量及掃氣比進行計算得到。
圖3 實驗件的三維結(jié)構(gòu)
4 防砂裝置的數(shù)值模擬
本文采用商用軟件FluentTM對實驗系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，湍流模型采用可實現(xiàn)的k-?模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力速度耦合采用coupled算法，壓力的空間離散采用二階格式，動量的空間離散采用二階迎風(fēng)格式。模型當(dāng)中，采用離散相模型（DPM）對含砂塵的進氣進行仿真，并且假定粒子為球形，通過合理的調(diào)整粒子個數(shù)，以保證各種粒徑的粒子質(zhì)量分數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)。計算中進口邊界采用壓力進口，出口邊界采用質(zhì)量流量出口。在實驗件模型的五個端面上，分別劃分具有與渦旋管等截面積與等厚度的多孔介質(zhì)區(qū)域，通過模型計算值不斷與實驗結(jié)果進行校對，獲取吻合結(jié)果較好的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。文中數(shù)值模型通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗計算后，網(wǎng)格總量為122萬。
5 結(jié)果和討論
5.1 實驗?zāi)Ｐ偷男阅茏兓?guī)律
為使實驗?zāi)Ｐ偷男阅苓_到一個較優(yōu)值，實驗考察了不同的掃氣比及主流量對模型分離效率和總壓損失的影響。
圖4 為主流量為2.84kg/s時，不同掃氣比下實驗系統(tǒng)的性能變化。從圖中可以看出，同一主流量下，分離效率隨掃氣比的升高逐漸增大，在5%后變化逐漸平緩，而總壓損失則因為單管進氣量增大而升高?？紤]到5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時又不帶來過大的總壓損失，后續(xù)的研究均選擇5%的掃氣比。
圖4 掃氣比對實驗?zāi)Ｐ托阅艿挠绊?/p>
圖5 示出了在掃氣比為5%時，不同的主流量下分離效率和總壓損失的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨主流量的增大，渦旋管進口的速度升高，導(dǎo)致整體的總壓損失增大。但主流量的增大也加劇了實驗樣件中不同位置渦旋管工況的差異，使得分離效率出現(xiàn)了極值點。
圖5 主流量對實驗?zāi)Ｐ托阅艿挠绊?/p>
5.2 多孔介質(zhì)?；瘜嶒?/h3>
在利用多孔介質(zhì)?；瘻u旋管的過程中，分別給定多孔介質(zhì)粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的初始值，在掃氣比為5%時，通過不同主流量下的模型計算和實驗，選擇距離主通道入口750mm處作為測壓點，測壓點如圖6所示，將測壓點的計算值與實驗結(jié)果進行對比調(diào)試，最終迭代獲得粘性阻力系數(shù)為40000，慣性阻力系數(shù)為19.5。
圖6 測壓點位置及其截面分布
為說明粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的可靠性，圖7至圖9示出了在不同主流量下不同測壓點計算值和實驗值的對比。從圖中可以看出，不同主流量下總壓變化規(guī)律較為一致，相同的測壓點計算結(jié)果和實驗結(jié)果也較為吻合。
圖7 主流量為3 kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比
圖9 主流量為2kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比
圖10給出了不同測壓點在不同主流量下計算值和實驗值的最大相對誤差，可以看到，除在主流量為2kg/s時測壓點2處的相對誤差值為12%外，其余測壓點的最大相對誤差均在10%以下，表明數(shù)值計算與實驗值在相同的條件下獲得的結(jié)果誤差較小，因此現(xiàn)有的多孔介質(zhì)參數(shù)可以滿足工程需要。
圖8 主流量為2.5 kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比
圖10 測壓點的最大相對誤差
5.3 模型擴大12倍后的性能預(yù)測
為考察當(dāng)防砂裝置放大后對進氣的影響，以實驗?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，將各個面板上的渦旋管數(shù)量、防砂裝置出口截面積以及主流量均放大12倍，同時合理的增設(shè)排砂通道，以使得渦旋管的排砂阻力較小同時不同區(qū)域的渦旋管能夠較為均勻的排出砂塵。將前述獲取的多孔介質(zhì)參數(shù)耦合入放大的三維仿真模型，對其壓力畸變及總壓恢復(fù)系數(shù)進行數(shù)值計算。
圖11和圖12分別為懸停狀態(tài)和前飛狀態(tài)下防砂裝置出口截面不同相位處的壓力畸變?？梢钥吹?，在懸停狀態(tài)時，不同流量下防砂裝置出口截面壓力畸變分布規(guī)律基本一致，最大壓力畸變在第15相位，為-0.049，其余相位總體而言，壓力畸變值變化較為平滑。在前飛狀態(tài)下，前飛速度越大，相應(yīng)相位的壓力畸變也越大，在前飛速度為260km/h時，最大壓力畸變在第11相位，為-0.126。因此前飛狀態(tài)下的壓力場分布更為不均勻。
圖11 懸停狀態(tài)下防砂裝置出口周向壓力畸變
圖12 前飛狀態(tài)防砂裝置出口周向壓力畸變
圖13 和圖14分別為懸停和前飛狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)。懸停狀態(tài)下，隨進氣量的增大總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低，最低總壓系數(shù)為98.23%。前飛狀態(tài)下，前飛速度越快，總壓恢復(fù)系數(shù)越低，最低總壓恢復(fù)系數(shù)為97.4%，可見前飛狀態(tài)時進氣流動損失更大。
圖13 懸停狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)
圖14 前飛狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)
6 結(jié)語
本文基于多孔介質(zhì)模型，利用CFD對防砂裝置的渦旋管進行了?；⒗脤嶒炁_進行了測試及驗證。考察了掃氣比與主流量對實驗件的影響，實驗發(fā)現(xiàn)5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時又不至于帶來過大的總壓損失。通過實驗與仿真的對比，不同測壓點的最大相對誤差基本都在10%以下，表明了多孔介質(zhì)模型及參數(shù)的有效性和準(zhǔn)確性?；谠摱嗫捉橘|(zhì)模型對實驗?zāi)Ｐ头糯蠛蟮男阅苓M行了預(yù)測，通過對壓力畸變和總壓恢復(fù)系數(shù)的探究，發(fā)現(xiàn)防砂裝置在前飛時對進氣的影響更大，產(chǎn)生的壓力場分布更為不均勻，流動損失也更大。本文對后續(xù)防砂裝置的計算分析及優(yōu)化提供了借鑒及指導(dǎo)。
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劉冬冬，李星萍
（中國直升機設(shè)計研究所，天津 300000）
1 前言
直升機作為一種重要的空中平臺，需要經(jīng)常近地面懸停、起飛和著陸以及在海面上方懸停和飛行，環(huán)境中的砂塵、雨雪等異物若通過進氣道進入發(fā)動機，將不可避免的對發(fā)動機的安全運行產(chǎn)生較大威脅，包括發(fā)動機葉片的磨損、燃燒室耐熱磁漆涂層磨損、破壞轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)子平衡、堵塞葉片冷卻通道等，嚴重時甚至危及直升機的飛行安全。因此安裝防砂裝置就成了直升機進氣防護中的重要手段。
多管式粒子分離器作為直升機上應(yīng)用最為廣泛的進氣防護裝置，其基本單元為渦旋管。由于渦旋管的孔徑尺寸相比于防砂裝置整體的尺寸較小，且防砂裝置中渦旋管的數(shù)量一般較多，對全部渦旋管進行三維建模及前處理的工作量及時間成本將會十分巨大，同時對如此龐大的網(wǎng)格模型進行流場仿真也將耗費巨大的計算資源。為能夠在可接受的計算量和時間周期內(nèi)獲得較為準(zhǔn)確地計算結(jié)果，采用多孔介質(zhì)模型對防砂面板進行?；幚肀愠蔀榻鉀Q方案之一。
多孔介質(zhì)作為流體仿真中典型的阻力模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了直升機等航空相關(guān)的研究領(lǐng)域當(dāng)中。常柱宇等人在2014年通過多孔介質(zhì)模型模擬了發(fā)動機滑油濾網(wǎng)的壓力變化，證明了多孔介質(zhì)的有效性。唐進城等人在2019年基于多孔介質(zhì)模型對某型直升機防護網(wǎng)進行了流場仿真，通過仿真與實驗數(shù)據(jù)的對比，證明了仿真誤差在工程可接受的范圍內(nèi)，驗證了該仿真方法的可行性。嚴雄在2020年利用多孔介質(zhì)對某型直升機的的散熱器進行了仿真分析，大大降低了計算量和計算周期，為冷卻系統(tǒng)的快速設(shè)計提供了參考。
目前通過多孔介質(zhì)對防砂裝置?；南嚓P(guān)研究還較少，缺乏系統(tǒng)的分析和實驗數(shù)據(jù)，本文采用多孔介質(zhì)對防砂裝置面板進行?；?，并設(shè)計了一套實驗臺進行測試及驗證，詳細考察了實驗?zāi)Ｐ驮诓煌膾邭獗群椭髁髁肯碌男阅茏兓Ｍ瑫r通過數(shù)值計算與實驗數(shù)據(jù)的對比，獲取了多孔介質(zhì)模型的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，驗證了多孔介質(zhì)模型的有效性和準(zhǔn)確性，并給出了在實驗?zāi)Ｐ头糯蠹s12倍后的性能預(yù)測，可對放大后模型的進一步優(yōu)化及分析提供指導(dǎo)。
2 防砂裝置的分析方法
如圖1所示為渦旋管的砂塵分離原理示意圖。其中渦旋管作為直升機防砂裝置的核心元部件，主要包括上游管、下游管以及中間的渦旋葉片，當(dāng)帶有砂塵顆粒的空氣被吸入渦旋管后，氣流在渦旋管內(nèi)部的渦旋葉片帶動下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，砂塵顆粒被旋轉(zhuǎn)的氣流攜帶著甩向管內(nèi)壁，之后由渦旋管上游管和下游管之間的通道甩出并進入排砂通道，最終通過排砂風(fēng)扇或者引射裝置驅(qū)動砂塵排出機體。而干凈的空氣則通過下游管進入進氣道，用以滿足發(fā)動機的進氣需求。
圖1 渦旋管結(jié)構(gòu)簡圖
渦旋管中排砂氣流流量與通過下游管出口的氣流流量之比即為掃氣比φ，其表達式為，
式中，V2為排砂流量，V1為通過下游管出口的氣流流量。渦旋管對進入內(nèi)部的砂塵等外來物的分離能力可用分離效率ηW表示，即為，
其中，W1是單位時間內(nèi)離開渦旋管下游管出口的空氣中所含砂塵等外來物的重量，W2是單位時間內(nèi)由渦旋管上游管和下游管之間的通道甩出進入排砂通道的砂塵等外來物的重量。
由于渦旋管中葉片會對進入氣流帶來一定的壓力損失，因此在考察壓力場時，可用多孔介質(zhì)模型對其進行代替。多孔介質(zhì)是一種特殊的流體域，可將流動區(qū)域中固體結(jié)構(gòu)的作用看做是附加在流體上的分布阻力。因此在動量方程中添加一個動量源項Si用來模擬多孔介質(zhì)的阻力效果，源項由兩部分組成，一部分是粘性項，另一部分是慣性項。本文采用均勻多孔介質(zhì)?；瘻u旋管區(qū)域的流動，其表達式為，
式中，α為滲透率，1/α為粘性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)。
對于整個防砂裝置的壓力場考察，可通過總壓恢復(fù)系數(shù)和壓力畸變指數(shù)來進行表征?？倝夯謴?fù)系數(shù)σ為，
其中為防砂裝置出口截面平均總壓，為采用20°扇形環(huán)面的流量加權(quán)平均值，p0為進口截面平均總壓。
壓力畸變指數(shù)DC為，
其中，防砂裝置出口截面按扇形20°等分，60為相鄰20°扇形所組成的60°扇形面的平均總壓最小值。
3 實驗系統(tǒng)
實驗裝置主要由實驗件、主通道、排砂通道、砂塵過濾箱、孔板流量計以及驅(qū)動風(fēng)機等組成，如圖2所示。實驗件連接主通道，通過主通道上的驅(qū)動風(fēng)機進行抽吸，以模擬發(fā)動機進氣。在實驗件的一側(cè)引出圓形管道作為排砂通道，排砂通道末端通過驅(qū)動風(fēng)機進行抽吸，產(chǎn)生排砂效果。實驗測試中，在實驗件出口（即主通道的入口）設(shè)置取壓點用以測量防砂裝置的壓力損失，在砂塵過濾箱中設(shè)置過濾棉用以收集實驗件排出砂塵的重量，從而計算出分離效率。實驗中通過孔板流量計分別測量主通道及排砂通道的流量及流速。
圖2 防砂裝置實驗測試裝置
圖3所示為實驗件的三維結(jié)構(gòu)，包括5塊防砂面板及相應(yīng)的排砂管。實驗中采用5個噴槍同時向?qū)嶒灱?個渦旋管面板噴出砂塵，實驗中采用ISO12103-1A4砂塵，濃度為1.4g/m3，實驗砂塵總質(zhì)量為1kg，噴砂時間由主流量及掃氣比進行計算得到。
圖3 實驗件的三維結(jié)構(gòu)
4 防砂裝置的數(shù)值模擬
本文采用商用軟件FluentTM對實驗系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，湍流模型采用可實現(xiàn)的k-?模型，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力速度耦合采用coupled算法，壓力的空間離散采用二階格式，動量的空間離散采用二階迎風(fēng)格式。模型當(dāng)中，采用離散相模型（DPM）對含砂塵的進氣進行仿真，并且假定粒子為球形，通過合理的調(diào)整粒子個數(shù)，以保證各種粒徑的粒子質(zhì)量分數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)。計算中進口邊界采用壓力進口，出口邊界采用質(zhì)量流量出口。在實驗件模型的五個端面上，分別劃分具有與渦旋管等截面積與等厚度的多孔介質(zhì)區(qū)域，通過模型計算值不斷與實驗結(jié)果進行校對，獲取吻合結(jié)果較好的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。文中數(shù)值模型通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗計算后，網(wǎng)格總量為122萬。
5 結(jié)果和討論
5.1 實驗?zāi)Ｐ偷男阅茏兓?guī)律
為使實驗?zāi)Ｐ偷男阅苓_到一個較優(yōu)值，實驗考察了不同的掃氣比及主流量對模型分離效率和總壓損失的影響。
圖4 為主流量為2.84kg/s時，不同掃氣比下實驗系統(tǒng)的性能變化。從圖中可以看出，同一主流量下，分離效率隨掃氣比的升高逐漸增大，在5%后變化逐漸平緩，而總壓損失則因為單管進氣量增大而升高?？紤]到5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時又不帶來過大的總壓損失，后續(xù)的研究均選擇5%的掃氣比。
圖4 掃氣比對實驗?zāi)Ｐ托阅艿挠绊?/p>
圖5 示出了在掃氣比為5%時，不同的主流量下分離效率和總壓損失的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨主流量的增大，渦旋管進口的速度升高，導(dǎo)致整體的總壓損失增大。但主流量的增大也加劇了實驗樣件中不同位置渦旋管工況的差異，使得分離效率出現(xiàn)了極值點。
圖5 主流量對實驗?zāi)Ｐ托阅艿挠绊?/p>
5.2 多孔介質(zhì)?；瘜嶒?/h3>
在利用多孔介質(zhì)?；瘻u旋管的過程中，分別給定多孔介質(zhì)粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的初始值，在掃氣比為5%時，通過不同主流量下的模型計算和實驗，選擇距離主通道入口750mm處作為測壓點，測壓點如圖6所示，將測壓點的計算值與實驗結(jié)果進行對比調(diào)試，最終迭代獲得粘性阻力系數(shù)為40000，慣性阻力系數(shù)為19.5。
圖6 測壓點位置及其截面分布
為說明粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的可靠性，圖7至圖9示出了在不同主流量下不同測壓點計算值和實驗值的對比。從圖中可以看出，不同主流量下總壓變化規(guī)律較為一致，相同的測壓點計算結(jié)果和實驗結(jié)果也較為吻合。
圖7 主流量為3 kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比
圖9 主流量為2kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比
圖10給出了不同測壓點在不同主流量下計算值和實驗值的最大相對誤差，可以看到，除在主流量為2kg/s時測壓點2處的相對誤差值為12%外，其余測壓點的最大相對誤差均在10%以下，表明數(shù)值計算與實驗值在相同的條件下獲得的結(jié)果誤差較小，因此現(xiàn)有的多孔介質(zhì)參數(shù)可以滿足工程需要。
圖8 主流量為2.5 kg/s時測壓點計算值和實驗值的對比
圖10 測壓點的最大相對誤差
5.3 模型擴大12倍后的性能預(yù)測
為考察當(dāng)防砂裝置放大后對進氣的影響，以實驗?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，將各個面板上的渦旋管數(shù)量、防砂裝置出口截面積以及主流量均放大12倍，同時合理的增設(shè)排砂通道，以使得渦旋管的排砂阻力較小同時不同區(qū)域的渦旋管能夠較為均勻的排出砂塵。將前述獲取的多孔介質(zhì)參數(shù)耦合入放大的三維仿真模型，對其壓力畸變及總壓恢復(fù)系數(shù)進行數(shù)值計算。
圖11和圖12分別為懸停狀態(tài)和前飛狀態(tài)下防砂裝置出口截面不同相位處的壓力畸變?？梢钥吹?，在懸停狀態(tài)時，不同流量下防砂裝置出口截面壓力畸變分布規(guī)律基本一致，最大壓力畸變在第15相位，為-0.049，其余相位總體而言，壓力畸變值變化較為平滑。在前飛狀態(tài)下，前飛速度越大，相應(yīng)相位的壓力畸變也越大，在前飛速度為260km/h時，最大壓力畸變在第11相位，為-0.126。因此前飛狀態(tài)下的壓力場分布更為不均勻。
圖11 懸停狀態(tài)下防砂裝置出口周向壓力畸變
圖12 前飛狀態(tài)防砂裝置出口周向壓力畸變
圖13 和圖14分別為懸停和前飛狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)。懸停狀態(tài)下，隨進氣量的增大總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低，最低總壓系數(shù)為98.23%。前飛狀態(tài)下，前飛速度越快，總壓恢復(fù)系數(shù)越低，最低總壓恢復(fù)系數(shù)為97.4%，可見前飛狀態(tài)時進氣流動損失更大。
圖13 懸停狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)
圖14 前飛狀態(tài)下防砂裝置出口總壓恢復(fù)系數(shù)
6 結(jié)語
本文基于多孔介質(zhì)模型，利用CFD對防砂裝置的渦旋管進行了?；⒗脤嶒炁_進行了測試及驗證。考察了掃氣比與主流量對實驗件的影響，實驗發(fā)現(xiàn)5%的掃氣比具有較好的分離效率，同時又不至于帶來過大的總壓損失。通過實驗與仿真的對比，不同測壓點的最大相對誤差基本都在10%以下，表明了多孔介質(zhì)模型及參數(shù)的有效性和準(zhǔn)確性?；谠摱嗫捉橘|(zhì)模型對實驗?zāi)Ｐ头糯蠛蟮男阅苓M行了預(yù)測，通過對壓力畸變和總壓恢復(fù)系數(shù)的探究，發(fā)現(xiàn)防砂裝置在前飛時對進氣的影響更大，產(chǎn)生的壓力場分布更為不均勻，流動損失也更大。本文對后續(xù)防砂裝置的計算分析及優(yōu)化提供了借鑒及指導(dǎo)。
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