鄭光華, 水飛, 胡金鑫, 劉鑫, 肖華中

(1.西北工業(yè)大學 動力與能源學院, 陜西 西安 710129; 2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所 總體研究部,湖南 株洲 412002)

發(fā)動機的發(fā)展離不開試驗,試驗測試技術(shù)是發(fā)展先進航空發(fā)動機的關鍵技術(shù)之一,并成為檢驗發(fā)動機性能的標準[1-2]。在小型發(fā)動機的整機測試中,傳感器的大量布置會在一定程度上影響整機流場,測試結(jié)果也會受到流場的影響,進而影響發(fā)動機的性能與調(diào)整[3]。因此傳感器對流場造成影響的因素以及影響程度、傳感器布置方案的分析,顯得尤其重要。

李正[4]以二級低速軸流壓氣機為基礎,研究探針對壓氣機性能的影響。發(fā)現(xiàn)葉型探針幾乎不影響壓氣機平均流場結(jié)構(gòu);探針尺寸越小對流場的影響越小;當多級壓氣機上有多個葉排都安裝了葉型探針時,對壓氣機產(chǎn)生的影響由單個葉排上的最大堵塞比決定。

楊榮菲等[5]利用數(shù)值計算的方法,評估測試探針支桿對壓氣機氣動性能的影響,發(fā)現(xiàn)較無探針情況,帶探針的壓氣機特性曲線整體向左下方偏移,隨著支桿增加,偏移量增大,支桿的安裝位置對特性曲線無影響。

楊偉昊等[6]采用非定常的數(shù)值方法,對屏蔽式總溫探針的流動與換熱特性進行了研究,結(jié)果表明在高來流馬赫數(shù)下,速度誤差對進出口面積比的變化較為敏感。

王肖等[7]對單點和四點梳狀總壓探針的堵塞效應進行了研究,結(jié)果表明總壓探針的插入使得被測流場流量減小,相比于探針結(jié)構(gòu),堵塞效應受堵塞比的影響更大。

近壁測量時，壁面與探針的相互干擾會嚴重影響原本流場結(jié)構(gòu)，引起測量誤差[8-9]。鄭光華等[10]基于數(shù)值計算,研究了不同近壁距離對總壓探針測量結(jié)果的影響,并與文獻進行對比,結(jié)果表明,相對近壁距離越小,總壓探針測量誤差越大,且當近壁距離大于3倍探針直徑時,臨壁效應消失。

本文建立了總溫探針和總壓探針三維計算模型,通過FLUENT數(shù)值仿真軟件,研究探針在壓氣機進口級流道中的測量結(jié)果以及探針對流場的影響。針對探針的測量精度,分析探針測量誤差隨工作狀態(tài)(巡航、最大連續(xù)、起飛)的變化情況,分析不同探針結(jié)構(gòu)對測量誤差的影響;針對總壓損失系數(shù),分析探針在不同的飛行狀態(tài)下對流場的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 計算模型

計算域選取某渦軸發(fā)動機壓氣機進口級流道,如圖1所示,流道中流體做向心運動,垂直中心軸線方向流入,平行中心軸線方向流出。計算域進出口分別延長了40 mm,保證氣流的均勻及穩(wěn)定。入口截面距中心軸線205 mm,入口截面寬度47 mm,出口截面底端距中心截面30 mm,出口截面寬度65 mm,整個流域在軸向上長93 mm,在流域內(nèi)周向均勻分布5處支板。出口截面流向為y軸正方向,中心軸線到進口截面方向為z軸正方向,另一方向即為x軸。

圖1 計算模型

圖2 總壓與總溫探針模型

圖2為總壓及總溫探針模型?？倝禾结槥榍惑w結(jié)構(gòu),前緣為半徑1.2 mm的半圓狀,深度7.8 mm,壁厚0.5 mm,前緣開有4處引流孔,自上往下,各孔之間的間距為10.5 mm,11.9 mm,13.7 mm,其中最底端引流孔距探針底部3.75 mm,引流孔直徑1.6 mm,整個探針高50 mm?？倻靥结樚坠芙郧度胫U內(nèi)部,為前后流通結(jié)構(gòu),套管總長10 mm,外徑為4 mm,入口段內(nèi)徑2.4 mm,出口段內(nèi)徑1.6 mm,套管間距8 mm。

圖3為總溫和總壓探針的安裝位置。探針在壓氣機進口級截面通道內(nèi)共有3個安裝位置,與yz平面的夾角分別為5°,115°和245°。分別命名為1號探針、2號探針和3號探針。

圖3 探針安裝位置

1.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM對計算模型進行進一步處理并劃分網(wǎng)格,整體采用非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格,在探針附近進行局部加密后設置1.3的增長比,探針近壁面及計算域壁面處采用邊界層網(wǎng)格,保證近壁面y+為4左右,并且在近壁區(qū)內(nèi)設定10層邊界層網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量達到450萬以后,進出口總壓比基本穩(wěn)定,可認為此時網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響可忽略,故將數(shù)量大于500萬范圍的網(wǎng)格作為本文計算網(wǎng)格。數(shù)值計算的全部殘差曲線收斂至1×10-5以下。圖4表示網(wǎng)格劃分及邊界層處理。

圖4 網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

數(shù)值計算采用Fluent18.0軟件完成,所有算例皆基于壓力求解器進行穩(wěn)態(tài)流動求解,計算域中流體選用理想氣體。入口選擇壓力入口,設定入口的總溫、總壓,流動的方向;出口選擇壓力出口,設置為一個大氣壓,流動方向垂直于出口邊界,其余邊界皆設置為絕熱無滑移壁面。通過改變無探針時出口的背壓來實現(xiàn)有無探針時的進口邊界條件一致。入口的總溫及總壓,計算公式如下

式中：Tt為入口總溫設定值；pt為入口總壓設定值；Tfree為自由來流的環(huán)境溫度；pfree為自由來流靜壓；Mafree為來流馬赫數(shù),k為氣體的比熱比。根據(jù)給定的條件可計算出不同的邊界條件,表1為不同工作狀態(tài)氣動參數(shù)。

表1 發(fā)動機不同工作狀態(tài)氣動參數(shù)表

1.4 參數(shù)定義

對于總壓探針,有總壓測量誤差Δ，表示對于同一位置,未放探針和放探針之后總壓值對比,計算公式如下

(3)

(4)

除了對探針測量誤差的評價,本文還研究探針的放置對流場造成的影響,評價參數(shù)如下:

總壓損失系數(shù)

(5)

式中:pt,i表示截面i總壓平均值;pt,in表示來流總壓;ρ表示氣體密度;v表示氣流速度。

速度不均勻度

(6)

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)動機不同工作狀態(tài)對探針測量結(jié)果的影響

本節(jié)具體分析不同質(zhì)量流量、不同安裝位置的探針對其測量結(jié)果的影響。其中四點總壓探針的滯止效應發(fā)生在一個連通的腔體內(nèi),因此,在腔體內(nèi)部取一條直線上的總壓平均作為測量所得總壓值,取值曲線如圖5所示。總溫測量值采用熱電偶結(jié)點表面的平均總溫。對比參數(shù)取的是未放置探針時,沿流程探針所在截面的總壓/總溫平均值。

圖5 總壓探針取值曲線

圖6是發(fā)動機在3種工作狀態(tài)下,不同位置的總壓測量誤差曲線圖。

圖6 發(fā)動機不同工況下各位置探針的總壓測量誤差

如圖6所示,測量誤差隨著質(zhì)量流量的降低而逐漸減小,這是因為隨著流量降低,來流流速逐漸減小,探針對流場的擾動逐漸減小,在探針處的速度梯度逐漸減小,因此誤差逐漸減小。由于此通道中的流體作向心運動,流動方向發(fā)生了90°偏轉(zhuǎn),在通道內(nèi)發(fā)生彎轉(zhuǎn)效應,在近探針安裝側(cè)壁面壓力減小,而流體由于在探針前緣滯止,速度越小橫向壓力梯度就越小,因此其測量誤差越小。就2號探針而言,當發(fā)動機工作狀態(tài)從起飛變換到最大連續(xù)時,流量減小0.201 kg/s,測量誤差降低0.03%,再從最大連續(xù)工作狀態(tài)變換到巡航狀態(tài)時,流量減小0.567 kg/s,測量誤差降低了0.16%。此外,不同位置的探針產(chǎn)生的測量誤差也不同,從圖6中可知,1號探針測量誤差最大,3號探針次之,2號探針產(chǎn)生的測量誤差最小,換言之,距離壁面越近,產(chǎn)生的測量誤差越大。且隨著工作狀態(tài)的改變,不同位置探針之間總壓測量誤差的差值幾乎相同,1號總壓探針比2號總壓探針誤差高0.06%,比三號總壓探針誤差高0.02%。

圖7為支板附近靜壓云圖及流線圖。通過對比圖7a)和7b),發(fā)現(xiàn)不存在支板時,沿程壓力逐漸減小,當流至彎曲部分,在彎道外側(cè)壁面的壓力未減小,內(nèi)側(cè)壁面彎道處壓力降到最低。而由于支板的存在,在支板后緣近內(nèi)側(cè)壁面處壓力稍有增大,而支板后緣近外側(cè)壁面處高壓區(qū)面積增加,這使得沿支板高度方向上壓力梯度增大,增大的壓力梯度讓氣體轉(zhuǎn)彎之余,在葉片尾緣還形成一股從外側(cè)壁面流向內(nèi)側(cè)壁面的二次流,在內(nèi)側(cè)壁面、支板下游的小范圍內(nèi)壓力的升高,支板下游流線及靜壓可參見圖7c)和7d),可以發(fā)現(xiàn)由于在支板下游局部的壓力升高,在垂直于流動方向上的壓力梯度較無支板處更大,因此,在支板下游會產(chǎn)生一股橫向的二次流動。當探針安裝位置距離支板較近時,氣流的滯止效應受此股橫向二次流的影響越大,導致測量誤差越大。

圖7 支板附近靜壓云圖及流線圖

2.2 發(fā)動機不同工作狀態(tài)探針結(jié)構(gòu)對流場的影響

為研究在發(fā)動機不同工作狀態(tài)時插入不同探針對該流道的影響,本節(jié)取3個狀態(tài)下插入不同探針的進出口截面為研究對象,分析不同工況下探針插入前后從入口截面到出口截面總壓以及速度不均勻度。

圖8為計算結(jié)果,圖8a)為出口截面總壓損失系數(shù)的影響,圖8b)為出口截面速度不均勻度的影響。如圖8a)所示,這是由于流量減小時入口流速降低,流道中與流道壁面和探針之間的摩擦及沖擊作用減弱,當插入探針時,小流量工況下由探針產(chǎn)生的尾跡強度和長度都會減弱。此外,圖中數(shù)據(jù)顯示,未插入探針時由于流道壁面的黏性以及流道的彎轉(zhuǎn)同樣存在一定的總壓損失,當發(fā)動機在起飛工況時,流體通過該壓氣機進口級截面總壓就已損失0.37%,保持發(fā)動機狀態(tài)不變,在該截面軸向插入3支總壓探針后在出口截面總壓損失系數(shù)增加了0.11%,若插入的探針更換為3支總溫探針時,出口截面的總壓損失系數(shù)將比無探針要增加0.37%,是無探針情況下的2倍。反觀圖8b),不同之處在于,發(fā)動機工況的變化對速度不均勻度的影響很小,而對該參數(shù)影響較大的因素是插入探針的類型,說明影響速度不均勻度的主要因素是插入干擾物的結(jié)構(gòu)。從數(shù)據(jù)上看,無探針時出口速度不均勻度較入口就增加了11.02%,插入總壓探針后損失僅增加了1.02%,而插入總溫探針時則增加了5.91%,這是由于此處的總壓探針是一個前緣為弧面的盒體,無支桿和向前伸出的感壓管,對流場的擾動較小。

圖8 出口截面壓力與速度損失

進一步研究探針對出口截面的影響,從出口截面周向和出口截面徑向2個角度分析插入的探針對出口截面總壓損失的影響。圖9a)是在該流道的出口截面取的一條曲線,曲線位置一方面的靠近出口中心位置及靠近主流區(qū)域;另一方面要盡量靠近探針位置,更好地捕捉由探針引起的總壓損失系數(shù)的變化。而探針的布置位置在內(nèi)側(cè)壁面,因此綜合考慮下，取值曲線位于出口截面的中位線往內(nèi)側(cè)壁面方向偏移8 mm。圖9b)即為在出口截面周向的總壓損失系數(shù)曲線,其中三角形實線是未插入探針時總壓損失的周向分布,可以看出在主流區(qū)域的總壓損失系數(shù)都相同,約為1.25%,在支板下游對應位置總壓損失升高,最大損失達1.7%,相對主流區(qū)域損失提高了0.45%;當把總壓探針插入流場中時,周向總壓損失分布如呈圓形實線分布所示,可以看出主流區(qū)域的總壓損失系數(shù)并未受影響,僅在探針一定的角度范圍內(nèi)總壓損失發(fā)生變化,在探針布置位置的正下游位置總壓損失增加了2%,局部損失為主流區(qū)域的3倍。當插入探針更換為總溫探針時,局部總壓損失較無探針增加了3%,是主流區(qū)的4倍。

為研究插入探針后該通道出口截面沿徑向的總壓損失系數(shù),在出口截面取正對探針位置的直線,分析了同一位置不同探針影響和同一探針不同位置的影響。圖10為同一位置不同探針的影響結(jié)果,圖10a)中取值線選取的是1號探針對應的出口位置,圖10b)是插入不同探針影響出口截面徑向總壓損失系數(shù)的曲線圖。如圖所示,當未放置探針時,沿徑向總壓損失系數(shù)總體呈對稱的趨勢,僅在近壁面處由于黏性產(chǎn)生了總壓損失,但在近內(nèi)側(cè)壁面處的總壓損失極值為19%,而近外側(cè)壁面為15%,這和之前的分析一致。而當放置不同結(jié)構(gòu)探針時對下游的總壓徑向分布影響也很大,當放置的探針為總壓探針時,由于此處的總壓探針前緣為流線型結(jié)構(gòu),因此只在出口截面徑向上造成了一定的壓力梯度,使總壓損失在20%徑向位置處開始升高,越接近內(nèi)側(cè)壁面總壓損失逐漸提高,附面層厚度減小;而當放置的探針為總溫探針時,首先是由于探針產(chǎn)生的尾跡改變了出口截面沿徑向的壓力梯度,此處引起的壓力梯度變化較總壓探針稍大,且影響范圍更大,在12%徑向位置開始總壓損失系數(shù)就開始升高,在接近內(nèi)壁面處,約從87%高度起產(chǎn)生了較大的局部損失,總壓損失系數(shù)增長迅速,附面層厚度進一步減小。

圖11是起飛狀態(tài)下插入總壓探針時,出口截面不同位置沿徑向的總壓損失分布。此處在出口截面取4個位置,分別是3個探針所在位置以及未放探針且遠離支板位置,用以對比探針下游和主流區(qū)域徑向總壓分布的區(qū)別。從圖11b)可以看出,方形實線為未放置探針處徑向的總壓損失分布,即靠近支板和遠離支板位置在出口截面沿徑向的總壓分布一致,說明支板對出口截面徑向總壓分布無影響,而放置探針的3個位置對應的出口截面徑向總壓幾乎重合,僅在靠近內(nèi)側(cè)壁面處1號探針位置的總壓損失要稍大于其他2個位置,進一步說明探針與支板距離較近時會在靠近內(nèi)側(cè)壁面的位置產(chǎn)生小范圍的局部損失。

圖9 起飛工況下出口截面周 圖10 起飛工況下出口截面 圖11 出口截面各位置沿 向總壓損失系數(shù)分布 沿徑向總壓損失系數(shù) 徑向總壓損失系數(shù)

3 結(jié) 論

1) 對于探針測量而言,發(fā)動機工作時流量越大會使得探針的測量誤差越大,總壓探針測量最大相差0.2%,總溫探針最大相差0.1%,說明總壓探針的測量結(jié)果對發(fā)動機的工作狀態(tài)更敏感;對于不同的安裝位置而言,由于支板引起的橫向二次流,越靠近支板的探針測量誤差越大。

2) 流道中插入探針后出口截面總壓損失系數(shù)增加,流量越大總壓損失系數(shù)增加的越多。由于總溫探針的支桿直徑較大,總壓探針更接近流線型結(jié)構(gòu),因此插入總溫探針后出口截面總壓損失系數(shù)較總壓探針大0.26%。速度不均勻度受發(fā)動機工況的影響較小,速度不均勻度主要與插入探針結(jié)構(gòu)有關,插入總溫探針時速度不均勻度較無探針增加了5.91%,總壓探針僅使出口均勻度損失增加1.05%。

3) 出口截面周向方向上,探針及支板對應位置總壓損失系數(shù)較大,其中探針對應位置總壓損失系數(shù)為支板的兩倍以上,越靠近支板位置的探針造成出口的總壓損失系數(shù)越大。探針對應出口截面徑向方向上,隨著徑向高度的增加,總壓損失系數(shù)逐漸增加,但不同位置探針的總壓損失系數(shù)分布相差不大,僅1號探針在近壁面附近總壓損失系數(shù)較其他位置較大。