鄒子翔

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

0. 引言

壓氣機(jī)試驗(yàn)器的進(jìn)氣系統(tǒng)是壓氣機(jī)試驗(yàn)器中非常重要一個(gè)分部[1]，進(jìn)氣系統(tǒng)出口流場(chǎng)的性能指標(biāo)（湍流度、速度不均勻度、總壓不均勻度等）會(huì)直接影響到壓氣機(jī)試驗(yàn)件進(jìn)口條件，從而影響壓氣機(jī)試驗(yàn)的真實(shí)性能。因此，具有一個(gè)良好流場(chǎng)品質(zhì)的壓氣機(jī)試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)是十分關(guān)鍵的，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能試驗(yàn)的進(jìn)氣流場(chǎng)品質(zhì)有相關(guān)要求。標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定壓氣機(jī)入口總壓不均勻度不大于5%，湍流度不大于3%[2]。對(duì)于壓氣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在收縮段曲線上沒(méi)有統(tǒng)一的要求，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于收縮段型線的研究國(guó)內(nèi)不少學(xué)者在這也有一定的結(jié)論，但是他們都是單獨(dú)對(duì)型線進(jìn)行研究，未將收縮段型線帶入試驗(yàn)器整體進(jìn)行對(duì)比。將不同型線帶入試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)中進(jìn)行整體的流場(chǎng)計(jì)算更為準(zhǔn)確。

本文采用數(shù)值模擬的方法，使用航標(biāo)中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以某壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)流量（3.5kg/s）進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將維氏曲線、雙三次曲線和五次曲線帶入試驗(yàn)器中進(jìn)行整體數(shù)值模擬，分析它們的流場(chǎng)品質(zhì)。

1. 模型介紹

1.1 進(jìn)氣系統(tǒng)模型及簡(jiǎn)要介紹

試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化：省略了擴(kuò)壓段中節(jié)流閥對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)氣流的影響，沒(méi)有考慮試驗(yàn)件對(duì)試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)的影響，不考慮加工誤差和安裝誤差。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)及尺寸（mm）

收縮段型示意線圖2所示，3種收縮段的計(jì)算公式如下所示，維氏曲線在進(jìn)口部分收縮快，后部收縮慢；雙三次曲線和五次方曲線的進(jìn)出口都比較平緩。

圖2 收縮段型示意線圖

維氏曲線：

雙三次曲線：

五次曲線：

1.2 網(wǎng)格劃分

本文使用ICEM對(duì)流體域進(jìn)行分區(qū)域網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類(lèi)型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)3種模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證后網(wǎng)格總數(shù)分別為422萬(wàn)（維氏曲線模型）、450萬(wàn)（雙三次曲線模型）、480萬(wàn)（五次曲線模型）。

1.3 參數(shù)設(shè)置

本文流體域求解通過(guò)CFX軟件進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)設(shè)置在CFX-pre中進(jìn)行。流體介質(zhì)為理想氣體，參考?jí)毫?Pa，氣流為絕熱流動(dòng)，流體與壁面不發(fā)生熱量交換。蜂窩器和阻尼網(wǎng)設(shè)置為多孔介質(zhì)，開(kāi)孔率分別為0.88和0.76，二次阻力系數(shù)（Quadratic Resistance Coefficient）KQ分別為0.6和 556。

湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁面處理方法采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。入口邊界條件給定opening，壓力為101325Pa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口為質(zhì)量流量出口，出口流量為3.5kg/s。

2. 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同收縮段型線下的流場(chǎng)出口分析

不同收縮段型線下的流場(chǎng)出口參數(shù)見(jiàn)表1。其中，湍流強(qiáng)度是反映該截面氣流速度脈動(dòng)程度的一種參數(shù)。

表1 三種不同收縮段型線壓氣機(jī)試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)出口參數(shù)

從上表1中可以看出，3種不同型線的收縮段，出口參數(shù)都非常接近且都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的參數(shù)值。平均氣流角都小于1°，可以認(rèn)為出口流場(chǎng)都為水平方向。

從圖3所示出口總壓分布云圖中可以看出，3種收縮段出口的主流區(qū)的總壓分布十分均勻，近壁面位置總壓略低。因?yàn)橛捎诹黧w具有粘性，在靠近壁面的位置會(huì)產(chǎn)生附面層，附面層內(nèi)的氣流總壓會(huì)隨著離壁面距離的減小而降低。

圖3 不同收縮段型線出口總壓分布云圖

從上面的出口參數(shù)來(lái)看，在將不同收縮段曲線帶入壓氣機(jī)試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行整體計(jì)算可以得出3種不同的收縮段曲線出口的流場(chǎng)品質(zhì)接近。

2.2 不同收縮段型線下的測(cè)量截面分析

3種不同型線的進(jìn)氣系統(tǒng)在流量管測(cè)量截面的靜壓分布如圖4所示。

在壓氣機(jī)試驗(yàn)中，壁面靜壓是流量計(jì)算的重要參數(shù)之一[3]，從圖4中能看出，3種不同模型只有維氏曲線的進(jìn)氣系統(tǒng)在靜壓測(cè)量壁面的靜壓是均勻的，靜壓不均勻度為2.90%。另外2個(gè)模型在壁面靜壓分布不均勻，靜壓不均勻度分別雙三次曲線模型：5.19%，五次曲線模型：5.36%。在標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)流量管靜壓測(cè)量截面的靜壓不均勻度要求為小于5%，3種模型只有維氏曲線模型達(dá)到要求，后兩種模型如果要達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，可以嘗試在流量管進(jìn)口增加進(jìn)氣整流罩來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 不同收縮段曲線進(jìn)氣系統(tǒng)流量管測(cè)量截面靜壓分布云圖

2.3 不同收縮段型線下的測(cè)量截面流量波動(dòng)分析

通過(guò)非定常計(jì)算來(lái)計(jì)算出3種不同收縮段的試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)在測(cè)量截面下的流量波動(dòng)量，目前所內(nèi)所采用的數(shù)采系統(tǒng)的采樣率為8S/sec，在非定常計(jì)算中，所取得點(diǎn)數(shù)與數(shù)采系統(tǒng)采樣率一致。因此選取的樣本數(shù)據(jù)為40個(gè)連續(xù)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)均為壓氣機(jī)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下堵點(diǎn)的數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為：

其中：δWc為流量管測(cè)量流量的相對(duì)波動(dòng)量；為流量管測(cè)量流量的平均值，樣本為連續(xù)40個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3種不同收縮段的試驗(yàn)器計(jì)算所得的測(cè)量截面流量波動(dòng)量如表2所示。

表2 3種不同收縮段壓氣機(jī)試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)測(cè)量截面流量波動(dòng)量

從上表2數(shù)據(jù)中可以看出3種模型在靜壓測(cè)量截面測(cè)量出的流量波動(dòng)量均小于0.1%，與目前現(xiàn)存的試驗(yàn)器測(cè)量波動(dòng)量相比，比目前所內(nèi)現(xiàn)存的壓氣機(jī)試驗(yàn)器實(shí)際測(cè)量的波動(dòng)量小。

3. 結(jié)論

（1）3種不同收縮段型線的壓氣機(jī)試驗(yàn)器進(jìn)氣系統(tǒng)的出口總壓分布不均勻度、出口平均湍流度、出口平均氣流角均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壓氣機(jī)試驗(yàn)要求。（2）收縮段型線為維氏曲線的模型在靜壓測(cè)量截面的靜壓分布最均勻，不均勻度為2.90%切波動(dòng)量也滿足要求，另外2種模型在流量管靜壓測(cè)量截面上的靜壓不均勻度均大于壓氣機(jī)試驗(yàn)所需要的測(cè)量截面靜壓不均勻度小于5%的要求。（3）在航標(biāo)得設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下，流量為3.5kg/s的試驗(yàn)器選用收縮段型線為維氏曲線可能能夠獲得最好的壓氣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)氣流場(chǎng)。