蔡文波

（海軍裝備部)

0 引言

隨著航空業(yè)的迅速發(fā)展，民用航空運(yùn)輸量不斷增長(zhǎng)。然而燃油價(jià)格不斷上漲，環(huán)保要求也愈發(fā)嚴(yán)格。因此需要考慮革新熱力循環(huán)，發(fā)展環(huán)境友好型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)通過采用間冷回?zé)嵫h(huán)，提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱循環(huán)效率，進(jìn)一步提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和環(huán)保水平，成為了新概念發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)重要研究方向。而間冷器作為間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，與之相關(guān)的研究工作也逐漸受到重視，主要由羅羅公司（Rolls-Royce公司）支持研究[1]。

Scialo和Hepperle分別從間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能、噪聲和排放、間冷器設(shè)計(jì)、回?zé)崞髟O(shè)計(jì)四個(gè)方面對(duì)間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)開展了概念研究[2-3]。Walker等對(duì)間冷式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中用于間冷器核心流引氣的S型管道進(jìn)行了設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算研究，分析了S型管道幾何約束對(duì)通道性能的影響[4-5]。Kwan等數(shù)值研究了一組V 型間冷器單元體的安裝布局，同時(shí)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。給出了間冷渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)用間冷外涵系統(tǒng)的流路布置，評(píng)估了單元體布置方式以及使用不同形狀整流器對(duì)流場(chǎng)的影響。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，與基準(zhǔn)幾何相比冷側(cè)流體的非均勻度減少了18%，總壓損失降低了13%[6]。Jeong等針對(duì)間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)用管束式換熱器進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和熱應(yīng)力分析，2012～2013年專門針對(duì)原表面換熱器波紋表面的生成方法和表面換熱阻力特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，并提出了冷熱通道流阻分配不均的解決方法[7]。以上研究均是在歐盟框架計(jì)劃的支持下開展的間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)用間冷器的相關(guān)研究，此外還有多名學(xué)者也曾發(fā)表多篇綜述性文章闡述了未來燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展方向，其中均提到了間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)概念[8-9]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究起步較晚，并且大多研究集中在對(duì)間冷回?zé)釤崃ρh(huán)和間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的分析。宋星超等人對(duì)間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)節(jié)流特性等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析[10]。龔昊等人開展了間冷過程和回?zé)徇^程對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)匹配方法進(jìn)行了分析[11]。此外，王靖凱還針對(duì)應(yīng)用于間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊型換熱器的設(shè)計(jì)開展了研究，并得出了應(yīng)用于間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊型換熱器的設(shè)計(jì)方法以及相關(guān)的性能分析[12]。劉喜岳等人于2015年發(fā)表了關(guān)于雙U 型管束式模型換熱器的流動(dòng)和傳熱特性研究的文獻(xiàn)。通過低速高溫風(fēng)洞的模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得出了換熱器的管型和安裝角對(duì)換熱器壓降以及換熱效率的影響規(guī)律[13-14]。

上述研究表明，隨著間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)研究的深入，國(guó)外關(guān)于間冷器安裝模型在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的研究已經(jīng)相繼展開，而國(guó)內(nèi)的研究仍集中在概念和總體性能方面，對(duì)于換熱部件的相關(guān)研究并未深入開展。因此本文主要在航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下，對(duì)間冷器的外涵安裝模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)和性能計(jì)算，旨在使間冷器滿足間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，以及為間冷器的安裝實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)支撐。

1 間冷器模型

圖1給出了間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖，從圖中可以看出，間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)是在傳統(tǒng)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，通過新增的間冷器與回?zé)崞鬟@兩組部件來實(shí)現(xiàn)間冷回?zé)嵫h(huán)。

圖1 間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of intercooler recuperator aero engine

從圖1（b）中可以看出，布置在外涵道的間冷系統(tǒng)將外涵道分成兩個(gè)部分，通常將用于布置間冷器的涵道稱之為間冷涵道。間冷系統(tǒng)包括間冷器單元體、與間冷器連接的附屬通道即擴(kuò)壓通道和排氣通道，主要作用是將航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵氣流從增壓級(jí)引出，流入布置于外涵道的間冷器中，并在間冷器中有兩個(gè)流程。外涵氣流與內(nèi)涵氣流在間冷器中完成熱量交換后，外涵氣流與發(fā)動(dòng)機(jī)外涵氣流混合流出，內(nèi)涵氣流則引入高壓壓氣機(jī)，流動(dòng)形式如圖2所示。

圖2 間冷器流路布置示意圖Fig.2 Flow path layout of intercooler

從間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，間冷器的安裝布局受著諸如壓氣機(jī)、外涵道等多個(gè)部件幾何尺寸的限制。在這樣的幾何限制下，間冷器附屬通道的擴(kuò)壓通道和排氣通道設(shè)計(jì)、間冷器單元的流阻特性直接影響流經(jīng)間冷系統(tǒng)的氣流流動(dòng)損失，因此需要對(duì)間冷器附屬通道設(shè)計(jì)和間冷器外涵安裝模型的性能開展研究，以獲得滿足設(shè)計(jì)要求的間冷系統(tǒng)。

2 間冷器芯體流阻特性建模

2.1 間冷器單元體芯體結(jié)構(gòu)與多孔介質(zhì)阻力模型

本文以某兩流程交叉流緊湊型板翅式換熱器為間冷器芯體的幾何模型進(jìn)行計(jì)算研究[12]。間冷器系統(tǒng)中共有8個(gè)單元體，沿發(fā)動(dòng)機(jī)周向均勻分布。間冷器單元體的設(shè)計(jì)參數(shù)以及相應(yīng)的幾何尺寸如表1和圖3所示。

表1 間冷器單元體設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameter of intercooler cell

圖3 冷熱通道結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of cold and hot channels

在間冷器與航空發(fā)動(dòng)機(jī)一體化的研究過程中，主要關(guān)注的是換熱器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝環(huán)境下的阻力特性。希臘亞里士多德大學(xué)證實(shí)了多孔介質(zhì)模型應(yīng)用于MTU公司設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用橢圓雙U型管束式換熱器的阻力特性研究的可行性[15]。為減少計(jì)算成本，本文也使用多孔介質(zhì)模型來對(duì)間冷器的阻力特性進(jìn)行數(shù)值分析。

Darcye-Forchheimer方程在三維流動(dòng)的背景下對(duì)流體流過多孔介質(zhì)區(qū)域的壓力損失模型進(jìn)行了闡述，同時(shí)這也是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的壓力損失模型。

式中，Si為動(dòng)量源項(xiàng)分量；μ為流體的動(dòng)力粘度；Dij為粘性阻力系數(shù)；Cij為慣性阻力系數(shù)；v為來流速度分量。

多孔介質(zhì)模型的使用過程通常是：首先通過實(shí)驗(yàn)等方法測(cè)定通過研究區(qū)域的速度與壓力損失關(guān)系，然后擬合曲線得到相應(yīng)多孔介質(zhì)區(qū)域的壓力損失模型的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。

本文參考文獻(xiàn)[15]的研究，使用針對(duì)實(shí)際幾何模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果來確定多孔介質(zhì)壓力損失模型的相關(guān)系數(shù)。

2.2 間冷器單元體阻力分析

通常將換熱器的流動(dòng)損失分為沿程損失與局部損失兩個(gè)部分。當(dāng)流體經(jīng)過板翅式熱交換器時(shí)，流體在芯體的進(jìn)口處會(huì)發(fā)生流動(dòng)收縮的情況，而在出口處則會(huì)出現(xiàn)流體的膨脹。這種流道的突然收縮和擴(kuò)張都會(huì)造成附加的流動(dòng)損失。因此，流體在芯體的流動(dòng)過程中，除去沿程摩擦損失外，局部損失主要包括：流體進(jìn)入、離開芯體時(shí)壓力突變帶來的損失；流經(jīng)端蓋時(shí)產(chǎn)生的附加損失；多流程熱交換器中，流體的彎折產(chǎn)生的流動(dòng)損失；以及由于熱量交換引起的動(dòng)量變化帶來的流動(dòng)損失。這些損失的總和構(gòu)成了流體流經(jīng)換熱器時(shí)總的壓力損失或稱為總壓降，其大小標(biāo)志著板翅式熱交換器的阻力特性。

圖4 給出了熱交換器芯體進(jìn)口壓力損失和出口壓力回升的情況。

圖4 熱交換器芯體進(jìn)出口壓力變化Fig.4 Inlet/outlet pressure changes of heat exchanger core body

流體由截面1-1流入截面a-a時(shí)的壓力損失由兩部分構(gòu)成。首先由于流動(dòng)面積的收縮，流體的動(dòng)能增加引起的壓力損失。這部分損失實(shí)際上是壓力能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是一個(gè)可逆的過程，即當(dāng)截面由小變大的時(shí)候，壓力還會(huì)增加。其次是流體在經(jīng)過收縮段時(shí)截面產(chǎn)生了邊界層的分離，從而引起了相應(yīng)的壓力變化，即由于突縮段的不可逆自由膨脹引起的壓力下降。

同時(shí)，流體由截面b-b到截面2-2的出口壓力回升也可以類似的分成兩個(gè)部分：即由于流動(dòng)截面積變化引起的壓力升高；以及由于突擴(kuò)段不可逆的自由膨脹和動(dòng)量變化引起的壓力損失。

2.3 間冷器單元體流阻特性

采用Fluent軟件，首先對(duì)間冷器兩維幾何模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了帶有進(jìn)出口導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器芯體進(jìn)出口的壓力變化以及沿程摩擦阻力帶來的損失，幾何模型如圖5 所示，氣流從左側(cè)流入換熱器芯體，從右側(cè)流出。在計(jì)算中，上下界面設(shè)置為周期邊界，左側(cè)為壓力進(jìn)口，右側(cè)為壓力出口，翅片結(jié)構(gòu)為無滑移壁面。選取1個(gè)單元芯體進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)網(wǎng)格無相關(guān)性檢驗(yàn)后確定網(wǎng)格數(shù)量約1.3萬，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。所計(jì)算得到的帶有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器的阻力特性如圖6所示。

圖5 帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器芯體示意圖Fig.5 Schematic diagram of plate fin heat exchanger core body with flow guide structure

同時(shí)，將圖5中帶有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的換熱器芯體阻力模型轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多孔介質(zhì)模型，并在相同的邊界條件下進(jìn)行了計(jì)算，獲得了板翅式換熱器芯體多孔介質(zhì)模型的阻力特性，即圖6中倒三角符號(hào)標(biāo)記的曲線。圖6中方塊標(biāo)記的曲線則為帶有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器實(shí)際幾何模型的阻力特性曲線。

通過圖6可以看出，使用多孔介質(zhì)阻力模型得到的阻力特性同實(shí)際模型的結(jié)果吻合很好，滿足間冷器芯體進(jìn)口處來流速度在20m/s～30m/s 范圍內(nèi)，相對(duì)誤差小于1%，可見使用多孔介質(zhì)阻力模型可以精確地預(yù)測(cè)板翅式換熱器芯體的阻力特性。因而本文基于多孔介質(zhì)阻力模型對(duì)間冷器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道中的安裝模型性能進(jìn)行研究。

圖6 帶導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器的阻力特性Fig.6 Resistance characteristics of plate fin heat exchanger with flow guide structure

3 間冷器外涵附屬通道設(shè)計(jì)

從圖1（b）可以看出，在實(shí)現(xiàn)間冷器在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵環(huán)境下的安裝時(shí)，為了充分發(fā)揮間冷器的功能，需要為間冷器提供必要的安裝附件，主要包括間冷器在外涵道中的擴(kuò)壓通道和排氣通道。其中擴(kuò)壓通道起著分流及減速擴(kuò)壓的作用；排氣通道則將通過間冷器完成換熱后的冷端氣流排出航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)并產(chǎn)生推力。

3.1 擴(kuò)壓通道設(shè)計(jì)方法

在擴(kuò)壓通道的設(shè)計(jì)過程中，需要確定擴(kuò)壓通道的擴(kuò)壓比、擴(kuò)壓通道的中心線，沿程的擴(kuò)壓角度以及沿流線方向的截面面積與形狀的變化規(guī)律。其中擴(kuò)壓比可以通過通道進(jìn)出口的氣動(dòng)參數(shù)確定；管道中心線取決于通道與間冷器芯體的相對(duì)位置；擴(kuò)壓角按照通道中的平均雷諾數(shù)進(jìn)行選取，通常在6°至12°之間選取。

通道型面的確定則相對(duì)復(fù)雜。首先選取型線生成方案。二維三次貝塞爾曲線的坐標(biāo)分量形式定義如下[16]：

式中，t為人為引入的參數(shù)，在[0,1]的范圍內(nèi)分別取一系列參考點(diǎn)即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)二維三次貝塞爾曲線的坐標(biāo)。由上述方程易知t=0 時(shí)（x0，y0）即為曲線初始端點(diǎn)，t=1時(shí)（x3，y3）為曲線終點(diǎn)。對(duì)x求導(dǎo)可知，令y1=0可保證曲線在起始段與x軸平行，剩余的參數(shù)x1，x2，y2控制了曲線的形狀。

型線設(shè)計(jì)流程的第二步為設(shè)定變量，為了便于設(shè)計(jì)，令a=x1=x2，b=y2。a，b即為所選的變量。

第三步限定a，b的大致范圍，范圍太大會(huì)導(dǎo)致計(jì)算成本增加，范圍太小又可能將最優(yōu)解排除在計(jì)算范圍之外。一般情況下會(huì)進(jìn)行幾輪試算，以此確定大致的參數(shù)范圍。

最后在給定的尋優(yōu)條件下進(jìn)行大量計(jì)算以確定參數(shù)取值，此處的尋優(yōu)條件為最小的壓力損失。

間冷器芯體進(jìn)口處的設(shè)計(jì)氣流來流馬赫數(shù)約為0.1。除了間冷器芯體的氣動(dòng)需求，擴(kuò)壓通道在間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道中的布局也存在著幾何上的限制。幾何限制主要來自于間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部件的尺寸形狀，本文中安裝空間幾何限制參數(shù)主要有：間冷回?zé)釡u扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道長(zhǎng)度1236mm，最小半徑812mm，最大外廓半徑1167mm，如圖1（b）所示。在上述氣動(dòng)條件和幾何布局的約束下，以最小的壓力損失為尋優(yōu)目標(biāo)，本文采用曲線簇尋優(yōu)法進(jìn)行擴(kuò)壓通道設(shè)計(jì)。圖7給出了擴(kuò)壓通道的設(shè)計(jì)結(jié)果，與傳統(tǒng)型線生成方法相比，以三次二維貝塞爾曲線為基礎(chǔ)，通過曲線簇尋優(yōu)的方法得到的擴(kuò)壓通道幾何模型中沿氣流方向擴(kuò)壓角變化平緩，并有效的避免了通道出口處擴(kuò)壓角度過大的情況。通過曲線簇尋優(yōu)法生成的擴(kuò)壓通道出口速度分布均勻，滿足間冷器芯體的氣動(dòng)需求，總壓恢復(fù)系數(shù)可達(dá)95.58%。

圖7 優(yōu)化后的擴(kuò)壓通道流場(chǎng)分布Fig.7 Flow field distribution of optimum diffuser channel

3.2 排氣通道設(shè)計(jì)方法

排氣通道采用與擴(kuò)壓通道相同的方法進(jìn)行型面造型。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何限制，同時(shí)需要保證間冷外涵系統(tǒng)的排氣方向與外涵道的排氣方向相同，因此從間冷器單元體中流出的氣流需要在排氣通道內(nèi)發(fā)生兩次彎折。本文選取了Lee曲線作為不同的型線生成方案，如圖8 所示，其中t1，t2為變量，方程a表述的是基準(zhǔn)曲線，方程b一階導(dǎo)數(shù)自小到大，曲線前緩后急；方程c一階導(dǎo)數(shù)自大到小，曲線前急后緩；三個(gè)方程表述的曲線均保證曲線端點(diǎn)處的斜率為0[17]：

圖8 Lee曲線示意圖Fig.8 Distribution of Lee curve

由于氣流從間冷器芯體進(jìn)入排氣通道的過程中，主要由下壁面起導(dǎo)流作用。在氣流排出間冷涵道時(shí)，主要由上壁面起導(dǎo)流作用。因此使用型線c，b分別生成排氣通道的上下壁面，可得到如圖9所示的間冷器外涵排氣通道方案，使用Lee曲線的造型可以滿足兩次改變型線轉(zhuǎn)折方向的要求，同時(shí)保證了排氣通道排出的氣流方向與氣流進(jìn)入擴(kuò)壓通道的方向相同，相應(yīng)的總壓恢復(fù)系數(shù)較高。

圖9 外涵排氣通道示意圖Fig.9 Schematic diagram of bypass exhaust passage

4 不同構(gòu)型下間冷器外涵安裝模型性能計(jì)算

由于間冷器單元體沿發(fā)動(dòng)機(jī)周向呈周期性排布，因此取其中一個(gè)單元體進(jìn)行建模，間冷器外涵安裝模型如圖10 所示，外涵道進(jìn)出口面積由相關(guān)氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算得出。為了避免間冷器擴(kuò)壓通道內(nèi)局部擴(kuò)壓角過大（出口處局部擴(kuò)壓壁面與來流方向夾角達(dá)到15°），本文在擴(kuò)壓通道中加入了隔板結(jié)構(gòu)以減小擴(kuò)壓角度，并對(duì)隔板結(jié)構(gòu)和擴(kuò)壓通道對(duì)間冷器外涵安裝模型性能的影響進(jìn)行了研究。

圖10 間冷器外涵安裝模型Fig.10 Bypass installation model of intercooler

4.1 帶隔板結(jié)構(gòu)的間冷器外涵安裝模型性能

本文以擴(kuò)壓通道帶隔板結(jié)構(gòu)的間冷器外涵安裝模型為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，首先在設(shè)計(jì)條件下對(duì)間冷器外涵安裝基準(zhǔn)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，表2中展示了各關(guān)鍵截面的氣動(dòng)參數(shù)。由表2 可見，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下，通過上文設(shè)計(jì)方法得到的間冷器外涵安裝模型的總壓恢復(fù)系數(shù)可以達(dá)到92.73%，滿足間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

表2 間冷器外涵安裝基準(zhǔn)模型的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Computation result of baseline bypass installation model of intercooler

圖11給出了間冷器外涵安裝基準(zhǔn)模型對(duì)稱面的壓力以及速度分布圖。由于間冷外涵系統(tǒng)的引入，外涵道中的氣流被分為兩個(gè)部分，其中通過擴(kuò)壓通道引入間冷器單元體的氣流即為參與間冷循環(huán)的外涵氣流。本文在針對(duì)間冷器安裝模型的計(jì)算分析中主要關(guān)注這部分氣流的壓力損失。

圖11 間冷器外涵安裝基準(zhǔn)模型的流場(chǎng)分布Fig.11 Flow field of baseline bypass installation model of intercooler

由于擴(kuò)壓通道的存在，外涵氣流可以通過擴(kuò)壓通道進(jìn)入間冷器單元體，從而有效地減小了間冷器單元體進(jìn)口處的氣流速度。也正是由于擴(kuò)壓通道中隔板的設(shè)置，進(jìn)入間冷器單元體的氣流速度分布則相對(duì)均勻。

外涵氣流在通過間冷器單元體后，將沿排氣通道與外涵氣流混合后排出航空發(fā)動(dòng)機(jī)。氣流在排氣通道中的速度方向按照預(yù)期發(fā)生了兩次變化。然而，由于氣流方向變化幅度較大，其在排氣通道中的壓力損失也比擴(kuò)壓通道中的損失大。

4.2 無隔板的間冷器外涵安裝模型性能

為了研究擴(kuò)壓通道中隔板對(duì)間冷器外涵安裝模型性能的影響，以獲得同時(shí)兼顧間冷器系統(tǒng)質(zhì)量及性能的途徑，本文計(jì)算了去掉擴(kuò)壓通道隔板的間冷器外涵安裝模型性能，幾何模型如圖12所示。

圖12 無隔板的間冷器外涵安裝模型Fig.12 Bypass installation model of intercooler without baffle

無隔板的間冷器外涵安裝模型的性能參數(shù)如表3所示，與表2 所示的計(jì)算結(jié)果比較起來，氣流在通過間冷器與排氣系統(tǒng)時(shí)總壓恢復(fù)系數(shù)降低，相比有隔板結(jié)構(gòu)的間冷器外涵安裝基準(zhǔn)模型，無隔板結(jié)構(gòu)的間冷器外涵安裝模型的總壓恢復(fù)系數(shù)降低了0.52%。

表3 無隔板擴(kuò)壓通道的間冷器外涵安裝模型的計(jì)算結(jié)果Tab.3 Computation result of bypass installation model of intercooler without baffle

圖13給出了無隔板結(jié)構(gòu)的間冷器外涵安裝模型的壓力和速度分布圖，由圖13可見在取消隔板結(jié)構(gòu)后，擴(kuò)壓通道仍然與有隔板結(jié)構(gòu)的間冷器外涵安裝基準(zhǔn)模型中擴(kuò)壓通道的擴(kuò)壓比相同，所以間冷器單元體進(jìn)口處的速度大小與帶隔板結(jié)構(gòu)的單元體進(jìn)口速度幾乎相同。

圖13 無隔板間冷器外涵安裝模型的流場(chǎng)分布Fig.13 Flow field of bypass installation model of intercooler without baffle

擴(kuò)壓通道隔板結(jié)構(gòu)的取消，導(dǎo)致了間冷器單元體進(jìn)口處的局部擴(kuò)壓角度較大，造成了該處氣流發(fā)生分離。因而，相對(duì)有隔板結(jié)構(gòu)的間冷器外涵安裝基準(zhǔn)模型，無隔板結(jié)構(gòu)的間冷器單元體進(jìn)口處的氣流分布相對(duì)不均勻，間冷器單元體的阻力作用增加。同時(shí)還可以看出，取消隔板對(duì)擴(kuò)壓通道和排氣通道的影響不大，對(duì)整體的總壓恢復(fù)系數(shù)的影響也比較有限。

4.3 無擴(kuò)壓通道的間冷器外涵安裝模型性能

通過上述計(jì)算分析還可以看出，在外涵安裝工作狀態(tài)下，間冷器單元體進(jìn)口處的速度較低?？梢姡ㄟ^削弱擴(kuò)壓通道的減速能力也是換取間冷器系統(tǒng)質(zhì)量減輕的一種方式。因此，本文研究了擴(kuò)壓通道對(duì)間冷器外涵安裝模型性能的影響，對(duì)比分析了有/無擴(kuò)壓通道的間冷器外涵安裝模型性能，無擴(kuò)壓通道的間冷器外涵安裝模型如圖14所示。

圖14 無擴(kuò)壓通道的間冷器外涵安裝模型Fig.14 Bypass installation model of intercooler without diffuser passage

在與圖10 所示的幾何模型相同的計(jì)算條件下，對(duì)無擴(kuò)壓通道間冷器外涵安裝模型進(jìn)行了計(jì)算，關(guān)鍵截面的氣動(dòng)參數(shù)如表4 所示，通過對(duì)比表3 中的數(shù)據(jù)，取消擴(kuò)壓通道后的間冷器外涵安裝模型的總壓恢復(fù)系數(shù)下降了6.48%，間冷器單元體對(duì)流體的阻礙作用顯著增加。

表4 無擴(kuò)壓通道的間冷器外涵安裝模型的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Computation result of bypass installation model of intercooler without diffuser passage

從圖15 所示的無擴(kuò)壓通道間冷器外涵安裝模型的壓力和速度分布圖中可以看出，由于擴(kuò)壓通道的取消，間冷器單元體進(jìn)口處的氣流速度增加了約1.5 倍，并且氣流速度分布不均勻，靠近外涵處的氣流速度大，靠近內(nèi)涵的部位由于通道截面積大而氣流速度較小。這樣的進(jìn)口速度分布不利于減小氣流通過間冷器時(shí)受到的阻力。因此，間冷器單元體阻力的增加導(dǎo)致了無擴(kuò)壓通道間冷器外涵安裝系統(tǒng)總壓恢復(fù)系數(shù)的明顯降低。

圖15 無擴(kuò)壓通道間冷器外涵安裝模型的流場(chǎng)分布Fig.15 Flow field of bypass installation model of intercooler without diffuser passage

對(duì)比上述數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，取消擴(kuò)壓通道后，間冷器進(jìn)口的馬赫數(shù)大幅升高，導(dǎo)致間冷器的總壓恢復(fù)系數(shù)下降，進(jìn)而影響間冷器在外涵道安裝時(shí)的整體性能。因此，在保證性能的前提下，間冷器系統(tǒng)質(zhì)量減輕方式可通過隔板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法，針對(duì)特定的間冷器模型設(shè)計(jì)了外涵道的連接通道，使用多孔介質(zhì)模型分析了換熱器間冷器的阻力特性，并對(duì)間冷器外涵安裝模型的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要結(jié)論如下：

1）使用曲線簇尋優(yōu)的方法對(duì)間冷器外涵連接通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使用貝塞爾曲線一定程度上緩解了傳統(tǒng)型面生成方法設(shè)計(jì)出的通道出口處擴(kuò)張角度較大的問題。

2）基于Lee曲線的間冷器外涵排氣通道設(shè)計(jì)，可以滿足排氣通道內(nèi)兩次改變型線轉(zhuǎn)折方向的要求，同時(shí)保證了排氣通道出口的氣流方向與氣流進(jìn)入擴(kuò)壓通道的方向相同，相應(yīng)的總壓恢復(fù)系數(shù)較高。

3）間冷器外涵安裝模型中擴(kuò)壓通道可以有效地降低間冷器外涵安裝模型的壓力損失。使用帶有隔板結(jié)構(gòu)的擴(kuò)壓通道的間冷器外涵安裝模型總壓恢復(fù)系數(shù)可達(dá)到92.73%，滿足了間冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求。

4）間冷器外涵安裝模型中擴(kuò)壓通道的隔板結(jié)構(gòu)對(duì)安裝模型的總壓恢復(fù)系數(shù)影響不大，取消該結(jié)構(gòu)后僅降低了0.52%，在綜合考慮質(zhì)量的情況下可以進(jìn)行簡(jiǎn)化或取消隔板結(jié)構(gòu)。