基于进气道总压畸变试验的插板数值模拟研究

基于进气道总压畸变试验的插板数值模拟研究

朱爱迪，钟易成(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016)基于进气道总压畸变试验的插板数值模拟研究朱爱迪，钟易成(南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016)Summary：通过数值计算方法研究了进气道插板式总压畸变试验技术。在已有试验数据的基础上，应用数值仿真的手段模拟了插板扰流后的流场特性，分析了插板后不同位置的流场结构和畸变度。通过和试验数据对比，得出计算结果在AIP截面和试验结果在趋势上吻合良好，数值上则存在较大差异。在插板后异于AIP截面，存在能满足周向总压畸变指数与试验值相当的截面，从而可通过插值处理，计算出不同进口马赫数对应的计算截面，对试验进行初步预估。Key：数值计算；插板；总压畸变0引言随着飞机飞行速度、高度的不断提高，机动性的不断增加，导弹武器的使用，进气道出口气流产生畸变，严重影响了发动机的稳定工作。目前国内主要通过插板畸变试验来确定所允许的发动机进口流场畸变程度[1]。插板试验技术最初是由俄罗斯发展起来的，它是通过在发动机前放置一定高度的扰流器，产生动态+稳态的畸变流场，以得到与进口流场一致的畸变图谱与指数，来考核发动机的稳定性[2]。插板畸变试验属于风险比较高的试验科目，如果对插板深度与进气畸变程度没有清晰的认识，在试验中可能会对发动机造成不必要的损害。而且试验的周期长成本高，不能对设计加工起到预见和指导作用。考虑到数值模拟技术经济而且快速的特点，可以运用数值方法对试验过程进行模拟，预估试验方案[3]。在已有总压畸变试验数据基础上，运用Fluent软件进行数值模拟，获取畸变流场结构以及相关畸变评定参数的变化规律，并和试验结果进行了对比。1数值计算数值模拟的对象简图如图1所示。图1试验装置试验装置为一内径D=206mm的足够长的等直段，前部安装双扭线型进气头部，以保持均匀来流。头部与试验段采用螺栓联接，联接处即为放置插板位置，便于更换插板。插板后2D处为测量截面，总压测耙就安装在这个截面上。插板有效厚度为12mm，其几何特性由相对堵塞深度L=H/D来描述，如图2所示。图2扰流插板几何特性简图由于该几何模型结构相对简单，因此在生成网格时在整个计算域内均选择结构化网格。在插板附近及近壁面区域对网格进行加密，使得Y+符合计算模型要求，其他通流部分则采用较粗的网格。计算网格也进行了网格无关性验证，对不同网格密度的模型进行了试算，结果表明当网格总数超过90万后，AIP截面气动参数无明显变化，因此文中计算模型网格数都保持在90万左右。数值计算采用Fluent软件，基于雷诺平均的N-S方程组，有限体积法离散控制方程，它全面的考虑了流体的粘性、热传导和可压缩性等的影响。层流粘性系数由Sutherland公式求出，湍流模型选取SSTk-ω模型。进口采用压力远场边界，出口采用压力出口边界，其余均为无滑移绝热壁面边界。2计算结果与分析文中对L=30%和L=40%的插板分别计算了4个试验状态点。通过调节出口背压，在双扭线出口获取所需要的来流马赫数M1。在AIP截面后气流方向沿程截取若干个截面，观察流场变化情况。由于计算状态比较多，只选取一个状态点的流场结构进行分析。图3和图4分别为L=30%，M1=0.282时进气系统的二维流线图和沿气流方向不同截面的总压畸变图谱。从流线图可以看出，插板后产生了回流区域，由于气流的掺混造成了总压的损失。从图4可以看出，总压畸变图谱基本分为明显的三个区域，其中2个压力梯度较小，分别为高压区和低压区，一个压力梯度较大，为掺混区。随着气流沿程的不断掺混，在达到插板后某截面时，总压畸变图谱形状以及等值线的大小基本不再变化。图3L=30%，M1=0.282时进气系统流线图图4L=30%，M1=0.282时插板后沿程不同截面总压畸变图谱对数值计算得到的流场数据进行了分析，并同试验数据进行了对比，以考察数值计算结果同试验测量值之间的区别。从图5可以看出，对于L=30%和L=40%的插板，随着M1的增大，不论是试验值还是计算值，总压恢复系数呈单调下降趋势；图6则表明低压区角度随M1的增大基本不变，只与插板高度H有关。图7表明随着M1的增大，不论是试验值还是计算值，周向总压畸变指数呈单调上升趋势。从图5-图7可以看出，在AIP截面，数值计算结果与试验数据在趋势上吻合较好，可以满足定性分析，但是定量则存在较大差异，尤其当插板高度变大、M1变大时。图5总压恢复系数随M1变化情况图6低压区角度随M1变化情况图7Δσ0随M1变化情况数值模拟对板后气流高压区和低压区的掺混能力不足，导致在AIP界面，数值计算数据普遍大于试验数据。气流在板后经过沿程掺混后会逐渐趋向均匀，周向总压不均匀度也会逐渐较小。文中对沿程不同截面数据进行了统计分析。图8-图9分别为插板高度L=30%和L=40%时沿程不同截面低压区角度随M1变化曲线图。从图中可以看出，随着M1的增大，同一截面对应的低压区角度基本不变；对应于同一M1，沿程不同截面低压区角度变化不大。图8L=30%低压区角度沿程曲线图图9L=40%低压区角度沿程曲线图图10-图11为插板高度L=30%和L=40%时Δσ0在不同进口M1时沿程变化曲线图。从图中可以看出，Δσ0沿程单调降低，而且趋势逐渐变缓，这主要是高低压气流之间由于不断掺混而趋于均匀的缘故。这种趋势与插板高度和气流进口马赫数无关稳态计算时，衡量畸变程度主图10L=30%Δσ0沿程曲线图图11L=40%Δσ0沿程曲线图要考虑低压区范围和周向总压畸变指数两个参数。低压区范围沿气流方向基本无变化，鉴于周向总压畸变指数沿程单调降低，考虑对沿程不同截面畸变指数进行曲线拟合处理，将试验值进行插值，找出试验值所对应的计算截面。结果如图12所示。从图中可以看出，随着M1的增加，Δσ0试验值所对应的截面也在不断后移；随着插板高度H的增加，Δσ0试验值所对应的截面也在后移。当试验要求不同的进口M1时，可以根据该图进行插值，求得计算对应截面值，然后进行CFD计算，找出该截面的各种气动参数，对试验进行初步预估。4结语图12Δσ0试验值所对应的计算截面试验装置运用CFD技术数值模拟了不同高度插板的畸变试验的进气流场，获得了畸变流场的气动特性、总压图谱。在AIP截面，利用数值仿真数据进行精确的定量分析还难以实现。文中考虑利用插板后其它截面数值仿真数据和试验AIP截面数据进行对比。对比结果表明，在插板后异于AIP截面，存在能满足Δσ0与试验值相当的截面，从而可通过插值处理，计算出不同进口M1对应的计算截面，对试验进行预估。Reference:[1]江勇.航空发动机插板式进气畸变实验技术研究[D].西安:空军工程大学,2005.[2]刘大响,叶培梁.俄罗斯的发动机进口流场畸变评定指南[J].燃气涡轮试验与研究,1994，(3):1-10.[3]薛海波.插板后畸变流场的数值模拟及参数分析[D].南京：南京航空航天大学,2009.ResearchonFlashboardNumericalSimulationBasedonInletTotalPressureDistortionExperimentZHUAi-di,ZHONGYi-cheng(CollegeofEnergyandPower,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)Abstract:Thenumericalcalculatedmethodisusedtoresearchonthetechnologyofthetotalpressuredistortionwithflashboard.Basedonexperimentaldata,themethodofnumericalsimulationisusedtosimulatetheflowfield.Thenflowfieldstructureanddistortiondegreeofdifferentpositionsbehindtheflashboardareanalyzed.Comparingthenumericalresultwithexperimentaldata,theytrendtogreatagreement,butagreatdifferenceismadeinthemumericalvalue.BehindAIP,asection-whereΔσ0isthesamewithexperimentaldata.Theinterpositionmethodcanbeusedtocalculatethesectioncorrespondingto