航空发动机试验器高温进气蜗壳流场仿真分析及优化设计

高凯1，常鸿雯，黄琨，鞠微

摘要：为了揭示航空发动机燃烧室试验器进气蜗壳内的流动特性，并为进气蜗壳的性能预测、优化设计提供理论基础，以某试验器进气蜗壳为研究对象，基于混合网格的SIMPLE 算法和标准的k-ε湍流模型，运用FLUENT软件对进气蜗壳内的流场进行数值模拟，并从速度分布、压力损失两方面进行分析。结果表明：对蜗壳气动性能产生重要影响的结构区域主要为蜗壳型面及蜗壳底部分隔板，同时蜗壳内锥的绕流分离也是损失源之一。因此将蜗壳内部结构进行优化设计并重新进行数值模拟，优化后出口截面流场速度不均匀性得到了有效改善。

关键词：进气蜗壳；优化设计；流场均匀性；航空发动机

1. 引言

进气蜗壳是航空发动机燃烧室试验器进气系统的一个重要组成部分。首先，它要求流经蜗壳尤其是蜗壳出口面的气流尽可能均匀，以满足燃烧室试验器的进气要求；其次，它要求气流流经蜗壳时压力损失尽可能小，以降低进气系统整体的压力损失^[1-3]，；最后，对于航空发动机室内试车台，普遍具有室内设备较多、空间限制严格等要求，因此要求进气蜗壳尺寸尽量小，以节省装配空间及降低生产成本。

本文即是针对这些要求，对发动机燃烧室试验器进气蜗壳设计后进行了数值模拟计算及结构改进。

2. 模型建立

航空发动机燃烧室试验器进气蜗壳分为进气蜗壳、蜗壳内锥、底部分隔板3大部件。蜗壳流道的型面设计遵循断面的平均速度圆周分量ν_ｕ为常数，且相应包角的断面面积和圆蜗壳对应相等的规律^[4、5]。根据其结构参数利用UG软件对蜗壳进行整体造型^[6]，流场计算区域采用全流道计算域方法，蜗壳及流道三维模型如图1所示。

图1 进气蜗壳及流道三维模型

3. 控制方程和边界条件

2.1控制方程

进气系统可视为绝热系统，对其稳态工作过程的描述可采用三维定常可压缩黏性流动数学模型建立其基本控制方程，流体流动状态为湍流，采用标准k-ε湍流模型来封闭方程。

2.2边界条件

2.2.1进口边界

计算域进口边界条件为给定的流量、净温和与进口边界相垂直的来流条件，参考压力为标准大气压，静温T=700K。

2.2.2出口边界

计算域出口设置成压力出口边界条件，给定出口压力值，模拟“抽气”过程。

2.2.3壁面边界

壁面边界条件对于能量守恒方程可以认为是绝热的，即 =0；对于动量守恒方程由于流体是黏性的，应满足壁面无滑移边界条件。

2.3性能指标

为了定量描述气流偏转、绕流带来的不均匀程度，对出口截面的各性能指标进行定义^[7、8]。本文考查的性能指标为蜗壳出口面速度场不均匀度 、总压不均匀度 及蜗壳总压损失△P。流场不均匀度及压力损失越小，表明蜗壳性能越好。

4. 计算结果

在设计工况下对流场进行了流体动力学分析，得到某燃烧室进气系统蜗壳的流动特性，包括速度分布、压力分布等。

(a) (b)

图2 流场速度沿流线分布图

从图2可以看出，整个流场的速度分布大致可以分为三个部分；第一部分进气口和蜗壳底部区域，这部分气流速度约为14m/s左右，与进口压力和流量有关；第二部分中部渐缩部分，速度约为58m/s左右；第三部分蜗壳出口段，此处气流速度约为28m/s左右。从进口到中部渐缩部分再到出口，截面面积先减小后增大，则速度必然出现上述所示的趋势。此外图4（b）近对称截面的流线可以看出，整个截面内无涡流存在，表明蜗壳曲线型面过渡良好，设计合理。

图3 蜗壳纵剖面速度分布及涡流粘度分布图

由于底部分隔板的分隔，气流流经蜗壳底部造成回流，形成了两个漩涡区域，从图3中可以看出，漩涡区域流体流速极低，涡流粘度较大，这也是导致蜗壳出口处下方两侧速度较低的主要原因，因此底部分隔板的存在对出口截面速度不均匀性产生了较大影响。

图4 蜗壳进出口总压分布云图

对仿真结果进行后处理结算得出，速度不均匀度值为17.38%，超过可接受值15%；总压不均匀度为0.21%，数值较小，符合压力场均匀性要求。图4显示了蜗壳进出口总压分布情况，经数据处理，整个蜗壳流道内的压力损失为△P=1160Pa。进口截面总压不均匀度为0.21%，图5显示了蜗壳各个剖面的总压分布云图，可以看出压力梯度较大的地方分别位于蜗壳内锥附近及蜗壳喇叭锥口附近，前期分析可知，蜗壳内整体总压损失较小，蜗壳流道型面及内锥结构合理。

为进一步提升出口流场的速度均匀性，可对蜗壳内结构进行进一步优化设计。

图5 蜗壳各剖面总压分布云图

5. 蜗壳结构优化方案

5.1优化目的及原则

本文中蜗壳结构改进主要有两个目的：第一，使出口截面流场更加均匀稳定，以改善燃烧室的进气条件；第二，降低蜗壳压力损失，从而减小整个进气系统的压力损失，提高进气系统效率。经过前期分析可知，蜗壳底部分隔板的存在是导致流场的均匀性较差的主要原因，但该分隔板是为加强蜗壳整体强度而设计，综合分析，可将分隔板设计成几个支撑柱，确保强度的前提下进一步评估其流场的均匀性。

5.2蜗壳结构优化方案

图6 蜗壳优化后进气流道三维模型

按照前期分析过程，将蜗壳内底部分隔板删除后绘制流道模型如图6。

5.3优化后计算结果

优化后同样对流场进行了流体动力学分析，得到某燃烧室进气系统蜗壳的流动特性，包括速度分布、压力分布等。

1. (b)

图7 优化后流场速度沿流线分布图

从图7中可以看出，相比于优化前，整个蜗壳内气流速度及分布情况变化不大，出口截面速度稍有提高，但整个截面速度均匀性有所提升，经计算得知，优化后出口截面速度不均匀度为10.85%，相比于优化前提升了6.8%。

图8 优化后蜗壳纵剖面速度分布及涡流粘度分布图

图8显示，拆除底部分隔板后，蜗壳底部的低流速区域明显减小，整个纵剖面内的涡流粘度从原来的6.5左右降低到了最大值1.3，这均有效地缓解了蜗壳出口流场的不均匀，提升了出口流场品质。

图9 优化后蜗壳进出口总压分布云图

图9显示了优化后蜗壳进出口总压分布情况，整个蜗壳流道内的压力损失为△P=1390Pa。虽然压力损失较优化前有所增大，但是仍在可接受范围内。总压不均匀度为0.26%，较优化前有所增大，但值仍然较小。优化结果对比如表1所示。因此综合考虑，优化方案可行。

表1 蜗壳优化前后流场性能对比

对比指标 对比模型	速度不均匀度	总压不均匀度	总压损失
原始模型	17.38%	0.21%	1160Pa
优化模型	10.85%	0.26%	1390Pa

6. 结论

对比优化前后蜗壳的性能变化，得到了以下结论：

1. 原型蜗壳总压损失较小，蜗壳除底部局部区域，整体涡流较小，表明蜗壳曲线型面过渡良好，内锥结构设计合理；

2. 根据蜗壳内流场特点提出蜗壳结构改进初步建议，认为蜗壳底部分隔板是引起气流紊乱并最终导致速度不均匀度较大的结构原因；

3. 相比于原型蜗壳，优化后的蜗壳出口总压不均匀度和总压损失均有所提升，但是数值较小，在蜗壳设计指标的接受范围内；优化后的出口速度不均匀度得到有效改善，较优化前减小了6.8%，为后续试验件进气创造了良好的流场条件。

参考文献：

[1] 初曙光．船用燃气轮机排气蜗壳性能分析[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013

[2]吴克启,黄坚. 风机蜗壳内部旋涡流动的数值分析[J].工程热物理学报,2001, 22(3):316-319

[3]郭鹏程,郑小波,罗兴琮.离心泵蜗壳内旋涡流动的数值研究[J].工程热物理学报，2006，27(1)；149-152

[4] 章志平,屈波,栗文玲,等.冷却塔水轮机椭圆蜗壳的设计与数值模拟[J]. 水电能源科学.2016,34(11)：175-177

[5] 张克松, 王桂华, 李国祥, 等. 蜗壳截面变化规律对蜗壳内流动及其出口参数的影响 [J]. 内燃机与动力装置,2009(4)：20 -24

[6] 杨军虎，孟瑞锋，张云周，等.基于UG的水力机械蜗壳参数化三维造型 [J].兰州理工大学学报，2012，38(4)；44-47

[7] 李坦,靳世平,黄素逸,等.流场速度分布均匀性评价指标比较与应用研究 [J].热力发电，2013,42(11)：60-63

[8] 陶红歌，陈焕新，谢军龙，等．基于面积加权平均速度和质量加权平均速度的流体流动均匀性指标探讨[J]．化工学报，2010(S2)：122-126

1作者简介：高凯（1990—），女，辽宁铁岭，工程师，动力工程与工程热物理，[e-mail]。

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