向宏輝，高 杰，侯安平，周一彬，楊 泳

(1.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng) 621000；2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191；3.中國(guó)民航飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川廣漢 618307)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)吸入的空氣并非理想狀態(tài)下完全干燥的空氣，而是含有一定水分的濕空氣。當(dāng)空氣濕度發(fā)生變化時(shí)，比定壓熱容、比定容熱容、氣體常數(shù)與比熱比等氣體狀態(tài)參數(shù)將隨之改變，進(jìn)而影響壓氣機(jī)氣動(dòng)特性。在壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中，為確保同一臺(tái)壓氣機(jī)在不同空氣條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一致性，濕度的影響主要是依據(jù)相似理論通過氣體熱力學(xué)參數(shù)換算進(jìn)行修正。目前，普遍認(rèn)為在一定濕度和溫度變化范圍內(nèi)，空氣濕度對(duì)壓氣機(jī)性能參數(shù)的影響程度較小，同時(shí)也為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜程度，往往忽視濕度的影響。但在大濕度和高流速條件下，濕空氣中的水蒸氣容易在壓氣機(jī)葉片表面凝結(jié)，甚至出現(xiàn)凝結(jié)激波，對(duì)壓氣機(jī)流道原有波系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干擾。隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)精細(xì)化要求的不斷提高，詳細(xì)評(píng)估空氣濕度對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響具有重要的研究意義。

國(guó)外針對(duì)工作介質(zhì)濕度對(duì)葉輪機(jī)內(nèi)流影響問題進(jìn)行了大量研究。早在上世紀(jì)50年代，Samuels等[1]理論推導(dǎo)了空氣含水對(duì)濕空氣熱力學(xué)性質(zhì)的影響，研究指出濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能存在影響，當(dāng)含濕度從0.43%提高至3.00%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降3.60%。Shil?lito等[2]通過改變壓氣機(jī)進(jìn)口溫度和濕度研究了其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響，結(jié)果表明隨著濕度增加，壓氣機(jī)壓比略有下降，發(fā)動(dòng)機(jī)推力降低。1997 年，Matsuo等[3]采用數(shù)值模擬方法研究了濕空氣在超聲速噴管內(nèi)非平衡凝結(jié)對(duì)附面層的影響，結(jié)果表明濕空氣所產(chǎn)生的凝結(jié)現(xiàn)象使附面層內(nèi)的溫度和速度場(chǎng)受到較大影響，當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)凝結(jié)現(xiàn)象時(shí)附面層厚度會(huì)急劇增加。2000年，Doerffer等[4]通過激波/附面層干涉控制研究探索了空氣濕度對(duì)激波分離的影響，指出當(dāng)氣流速度超過聲速時(shí)，濕空氣中的水蒸氣發(fā)生凝結(jié)，產(chǎn)生額外熱傳遞，使激波強(qiáng)度降低，并減弱氣流分離趨勢(shì)，推遲氣流分離起始位置。2003年，Sasao等[5]采用數(shù)值方法研究了工質(zhì)濕度對(duì)葉輪機(jī)跨聲流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)空氣濕度對(duì)超跨聲速流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響很大。2006年，Roumeliotis等[6]在單級(jí)壓氣機(jī)上進(jìn)行了進(jìn)口噴水對(duì)性能影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明進(jìn)口噴水對(duì)壓升系數(shù)與穩(wěn)定工作特性無影響，但會(huì)導(dǎo)致功率和效率降低。2012年，Bertoneri等[7]測(cè)量了濕空氣條件下兩級(jí)離心壓氣機(jī)的性能，結(jié)果表明當(dāng)流動(dòng)介質(zhì)由干空氣變?yōu)闈窨諝鈺r(shí)，壓比上升，溫比與多變效率下降。相比之下，國(guó)內(nèi)有關(guān)濕空氣影響的研究工作主要體現(xiàn)在以下幾方面：①考慮濕空氣熱力學(xué)參數(shù)變化所造成的影響，根據(jù)相似定律對(duì)性能結(jié)果參數(shù)進(jìn)行修正[8-11]；②研究多相流領(lǐng)域凝結(jié)產(chǎn)生過程對(duì)汽輪機(jī)性能的影響[12-13]；③改變壓氣機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流濕度，研究濕空氣影響因素(濕度、噴水/霧水滴大小、噴水量等)對(duì)壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[14-19]。目前，國(guó)內(nèi)研究工作大多集中在理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算方面，試驗(yàn)工作開展得相對(duì)較少。

為探索空氣濕度變化對(duì)高負(fù)荷跨聲速壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響，發(fā)展有效計(jì)及濕度影響的跨聲速壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與性能修正方法，本文采用吹風(fēng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展了空氣濕度對(duì)跨聲速壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的影響研究。

2 試驗(yàn)方案

2.1 葉柵試驗(yàn)件

選用某高負(fù)荷跨聲速軸流壓氣機(jī)靜子葉片前加載葉型進(jìn)行平面葉柵試驗(yàn)件設(shè)計(jì)。葉柵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其中葉型設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)高達(dá)0.92。葉柵試驗(yàn)件實(shí)物見圖1。

表1 葉柵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the plane cascade

圖1 壓氣機(jī)平面葉柵試驗(yàn)件Fig.1 Compressor plane cascade rig

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院超跨聲速平面葉柵試驗(yàn)器(圖2)上進(jìn)行。該試驗(yàn)器是一座連續(xù)下吹式超/跨聲速平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)器，主要由主體系統(tǒng)、冷氣系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)段出口尺寸為300 mm(高)×160 mm(寬)，最大流量28 kg/s，穩(wěn)定工作時(shí)間大于4 min，壓力波動(dòng)小于0.3%。常規(guī)干空氣吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)，空氣相繼經(jīng)過了壓縮機(jī)組增壓、噴淋塔噴水降溫、硅膠裝置干燥、旋風(fēng)除塵器除塵等處理過程，確保葉柵試驗(yàn)件進(jìn)氣品質(zhì)(干空氣溫度約為15℃，相對(duì)濕度約為1%)。本文在開展?jié)窨諝庥绊懺囼?yàn)時(shí)，壓縮空氣不經(jīng)過降溫干燥處理而是直接進(jìn)入試驗(yàn)器，濕空氣溫度約為40℃，相對(duì)濕度變化范圍為25%～40%。

圖2 平面葉柵試驗(yàn)器Fig.2 Plane cascade test facility

2.3 測(cè)量方法

測(cè)試系統(tǒng)主要由PSI9816電子掃描閥系統(tǒng)、VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成。試驗(yàn)時(shí)，空氣相對(duì)濕度由安裝在試驗(yàn)器穩(wěn)壓段內(nèi)的一支Rotronic公司生產(chǎn)的溫濕度測(cè)量探針(圖3)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)采用鉑電阻和總壓探針分別測(cè)量氣流的總溫和總壓。在葉柵柵前和柵后柵板位置分別布置80 個(gè)靜壓孔測(cè)量壁面靜壓，并選取葉柵中部2 個(gè)葉片作為測(cè)壓葉片，分別在葉片壓力面和吸力面中間高度位置沿軸向布置25 個(gè)靜壓孔測(cè)量葉片表面靜壓。在葉柵出口距葉片尾緣0.45 倍柵距處，采用帶位移機(jī)構(gòu)的多孔壓力探針測(cè)量出口2 個(gè)柵距內(nèi)的氣動(dòng)參數(shù)(含總壓、靜壓、馬赫數(shù)、氣流角等參數(shù))。

圖3 溫濕度測(cè)量探針Fig.3 Temperature and humidity measuring probe

3 數(shù)值方法

3.1 計(jì)算方法

當(dāng)濕空氣在跨聲速葉柵內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于快速膨脹導(dǎo)致氣流溫度急劇下降，氣流中的水蒸氣越過氣液飽和線發(fā)生凝結(jié)放熱現(xiàn)象。在分析葉柵內(nèi)部濕空氣非平衡凝結(jié)現(xiàn)象時(shí)假設(shè)：

(1)液滴凝結(jié)過程為自發(fā)凝結(jié)，無外來凝結(jié)核的存在；

(2)成核過程在瞬間完成，成核后的液滴與其他液滴和壁面無碰撞；

(3)可壓縮流動(dòng)，系統(tǒng)與外界絕熱，工質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)在整個(gè)流場(chǎng)中連續(xù)；

(4)液滴直徑非常小(＜1 μm)，近似為球形，氣相與液滴之間無速度滑移。

基于上述假設(shè)，推導(dǎo)濕空氣液滴控制方程如下：

式中：J，r，g分別表示液滴的成核率、臨界半徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Q0，Q1，Q2分別代表單位質(zhì)量濕空氣中的液滴數(shù)之和、液滴半徑之和與液滴表面積之和。在上述計(jì)算模型基礎(chǔ)上，通過對(duì)能量、質(zhì)量方程添加源項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)非平衡凝結(jié)相變過程的數(shù)值模擬。

式中：hlv為水蒸氣凝結(jié)放熱。

結(jié)合上述模型對(duì)商業(yè)流體計(jì)算軟件Fluent提供的二次接口進(jìn)行開發(fā)，氣相控制方程組由Fluent 求解器求解，液滴控制方程組通過Fluent 提供的UDS(用戶定義標(biāo)量方程)求解。湍流模型選擇k-ε雙方程模型。

3.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)于平面葉柵，濕空氣非平衡凝結(jié)現(xiàn)象可能并不只是在葉柵通道內(nèi)發(fā)生，濕空氣從穩(wěn)壓段流出經(jīng)過收縮噴管時(shí)工質(zhì)熱力狀態(tài)已處于氣液飽和線以下，因此有必要對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行建模。葉柵通道中含葉片部分區(qū)域采用Autogrid5 工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，葉片周圍采用O型網(wǎng)格，其余部分采用H型網(wǎng)格。計(jì)算模型中的穩(wěn)壓段、圓轉(zhuǎn)方收斂段、噴管段和試驗(yàn)段前后位置均采用ICEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。由于計(jì)算結(jié)果顯示葉片尾跡區(qū)較長(zhǎng)，因此將出口段延長(zhǎng)至6倍弦長(zhǎng)距離。通過計(jì)算網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，最終采用的模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)約830萬，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 葉柵試驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Computational mesh of plane cascade experimental system

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 給出了葉柵靜壓比隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化?？梢钥闯觯?dāng)Ma1小于0.92時(shí)，空氣濕度對(duì)葉柵靜壓比的影響很?。划?dāng)Ma1達(dá)到1.00時(shí)，空氣濕度的影響作用開始顯現(xiàn)，濕空氣下的葉柵靜壓比均比干空氣下的低，特別是當(dāng)β1=38°時(shí)，空氣濕度會(huì)顯著弱化葉柵增壓能力。

圖5 靜壓比隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化Fig.5 Static pressure ratio versus inlet Mach number

圖6給出了葉柵總壓損失系數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化?？煽闯?，β1=38°條件下，當(dāng)Ma1小于0.92時(shí)，空氣濕度對(duì)葉柵總壓損失系數(shù)幾乎沒影響，但隨著Ma1的增大，空氣濕度會(huì)明顯增大葉柵總壓損失系數(shù)(Ma1為1.00 時(shí)約增加22.5%)。當(dāng)β1減小，即攻角增大時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)馬赫數(shù)范圍內(nèi)均可見空氣濕度的影響。特別是當(dāng)β1減小到26°時(shí)，由于葉柵工作在大正攻角進(jìn)氣條件，葉柵通道內(nèi)逆壓梯度增大，附面層分離加重，即使在低進(jìn)口馬赫數(shù)條件下空氣濕度仍會(huì)引起葉柵性能惡化，導(dǎo)致總壓損失系數(shù)增大，且影響隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大呈加劇趨勢(shì)。

圖6 總壓損失系數(shù)隨進(jìn)口馬赫數(shù)的變化Fig.6 Total pressure loss coefficient versus inlet Mach number

圖7給出了設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)下空氣濕度對(duì)葉片表面等熵馬赫數(shù)分布的影響。當(dāng)β1=38°時(shí)，無論是葉片前部加速膨脹流動(dòng)區(qū)域還是中后部減速擴(kuò)壓流動(dòng)區(qū)域，空氣濕度對(duì)葉片表面等熵馬赫數(shù)分布的影響都很小，這與上述葉柵總性能分析結(jié)果一致。當(dāng)β1=30°時(shí)，相比于干空氣結(jié)果，以吸力面距葉片前緣43%弦長(zhǎng)位置分界，濕空氣使得葉片前部等熵馬赫數(shù)減小、葉片后部等熵馬赫數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致葉片吸力面軸向逆壓梯度降低，增壓能力減弱。同時(shí)，濕空氣也引起葉片壓力面前部等熵馬赫數(shù)增大，從而帶來整個(gè)葉柵氣動(dòng)負(fù)荷降低。當(dāng)β1進(jìn)一步減小到26°時(shí)，與干空氣條件下葉片表面等熵馬赫數(shù)分布相比，濕空氣的影響主要集中在葉片前緣附近，表現(xiàn)為吸力面等熵馬赫數(shù)明顯減小。

圖7 設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)下葉片表面等熵馬赫數(shù)分布Fig.7 Distribution of isentropic Mach number on blade surface at design inlet Mach number

圖8給出了設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)下葉柵出口總壓損失系數(shù)沿周向的分布。當(dāng)β1=38°時(shí)，空氣濕度對(duì)葉柵出口流場(chǎng)分布幾乎沒影響，但隨著β1的減小，濕空氣條件下的葉柵出口尾跡寬度略有增長(zhǎng)，其貢獻(xiàn)主要源于靠近葉片吸力面?zhèn)鹊母矫鎸釉龊窕蚍至鳌?/p>

圖8 設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)下葉柵出口總壓損失系數(shù)分布Fig.8 Distribution of total pressure coefficient at the outlet of cascade at design inlet Mach number

5 計(jì)算結(jié)果分析

表2給出了設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)下葉柵總壓損失系數(shù)計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，空氣濕度對(duì)葉柵總壓損失系數(shù)的影響隨著進(jìn)口氣流角的減小而增大。當(dāng)β1減小到32°時(shí)，相比干空氣結(jié)果，相對(duì)濕度40%狀態(tài)下葉柵總壓損失系數(shù)增大約2%，相對(duì)濕度60%狀態(tài)下葉柵總壓損失系數(shù)增大約12%，表明葉柵氣動(dòng)性能對(duì)空氣濕度變化的敏感性與氣動(dòng)負(fù)荷有關(guān)。

表2 設(shè)計(jì)進(jìn)口馬赫數(shù)下葉柵總壓損失系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Computational results of total pressure loss coefficient of cascade at design inlet Mach number

圖9為設(shè)計(jì)狀態(tài)下相對(duì)濕度60%時(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)一體化計(jì)算模型中截面濕空氣過飽和度分布計(jì)算結(jié)果。可以看出，氣流從試驗(yàn)器收縮段處開始加速，氣流溫度下降，此時(shí)濕空氣過飽和度大于1.0，工質(zhì)越過氣液飽和線。當(dāng)氣流進(jìn)一步向下游流動(dòng)進(jìn)入葉片通道區(qū)域時(shí)，濕空氣過飽和度進(jìn)一步增大，并在葉片前緣附近達(dá)到最大。

圖9 設(shè)計(jì)狀態(tài)下相對(duì)濕度60%時(shí)濕空氣過飽和度分布Fig.9 Distribution of wet air supersaturation at 60%relative humidity at design conditions

液滴的成核率(單位體積內(nèi)單位時(shí)間形成的臨界半徑液滴數(shù)量)的大小通常與濕空氣過飽和度直接相關(guān)。圖10 給出了設(shè)計(jì)狀態(tài)下相對(duì)濕度60%時(shí)流場(chǎng)中的成核率分布，可見成核率最大生成區(qū)域位于激波前，分布規(guī)律與濕空氣過飽和度分布大致相同。試驗(yàn)器穩(wěn)壓段與收縮噴管內(nèi)雖然也有液滴成核現(xiàn)象發(fā)生，但是與葉柵試驗(yàn)段成核率相比，收縮噴管內(nèi)的成核率小了約7 個(gè)數(shù)量級(jí)，非平衡凝結(jié)現(xiàn)象不明顯。圖11 為設(shè)計(jì)狀態(tài)下干空氣和濕空氣的流場(chǎng)對(duì)比結(jié)果，可以看出在濕空氣凝結(jié)放熱作用影響下，葉柵通道內(nèi)激波前的低壓區(qū)面積明顯減小，激波強(qiáng)度有所減弱。

圖10 設(shè)計(jì)狀態(tài)下相對(duì)濕度60%時(shí)流場(chǎng)的成核率分布Fig.10 Distribution of flow field nucleation rate at 60%relative humidity at design conditions

圖11 設(shè)計(jì)狀態(tài)下干空氣和濕空氣的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.11 Computational results of flow field for dry air and wet air at design conditions

葉柵通道內(nèi)液滴非平衡凝結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生伴隨著水蒸氣由氣相變?yōu)橐合噙^程中的凝結(jié)放熱，這些熱量的加入會(huì)對(duì)葉柵通道內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。圖12 給出了設(shè)計(jì)狀態(tài)下濕空氣凝結(jié)放熱計(jì)算結(jié)果。水蒸氣凝結(jié)釋放的熱量增大了葉柵的總壓損失，液滴凝結(jié)成核區(qū)域主要集中在葉背表面激波之前的低壓區(qū)域，穩(wěn)壓箱與收縮段凝結(jié)成核的液滴數(shù)極少，釋放的熱量主要集中在葉背與尾緣位置。

圖12 設(shè)計(jì)狀態(tài)下相對(duì)濕度60%時(shí)的凝結(jié)釋放熱量分布Fig.12 Distribution of heat released by condensation at 60%relative humidity at design conditions

6 結(jié)論

通過改變來流空氣濕度，對(duì)跨聲速壓氣機(jī)葉柵開展了干空氣和濕空氣條件下的性能對(duì)比試驗(yàn)。同時(shí)，結(jié)合濕空氣非平衡凝結(jié)相變理論，對(duì)葉柵試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了一體化數(shù)值模擬。主要得到以下結(jié)論：

(1)空氣濕度對(duì)跨聲速壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能是否產(chǎn)生影響與葉柵自身的攻角特性有關(guān)。進(jìn)口攻角增大，濕空氣更容易加劇葉片表面氣流分流，增大流動(dòng)損失。

(2)空氣濕度對(duì)跨聲速壓氣機(jī)葉柵性能的影響源于濕空氣中液滴非平衡凝結(jié)相變所釋放的熱量。凝結(jié)放熱對(duì)流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生加熱作用，從而引發(fā)額外的壓力損失，且影響區(qū)域主要集中在成核率較高的葉柵通道。

(3)文中空氣濕度直接通過試驗(yàn)器供氣干燥降溫系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中未能對(duì)空氣相對(duì)濕度和溫度變化范圍進(jìn)行準(zhǔn)確控制，后續(xù)可嘗試在試驗(yàn)器穩(wěn)壓段內(nèi)安裝噴水霧化裝置進(jìn)行空氣濕度影響試驗(yàn)。