基于內(nèi)外域結(jié)構(gòu)的開(kāi)式轉(zhuǎn)子流場(chǎng)數(shù)值模擬

吳俁

摘 要：文章采用數(shù)值模擬方法對(duì)某對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，以驗(yàn)證該方法應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子流場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性。建立了對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子的三維模型，并通過(guò)全三維定常數(shù)值模擬詳細(xì)分析了流場(chǎng)參數(shù)。通過(guò)拉力、總壓比的徑向分布、出口相對(duì)氣流角以及折轉(zhuǎn)角等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較得知，其結(jié)果吻合較好。由此說(shuō)明，采用內(nèi)外域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子流場(chǎng)的模擬結(jié)果是可靠的。

關(guān)鍵詞：對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子；數(shù)值模擬；內(nèi)外域

1 符號(hào)表

表1

2 概述

隨著能源價(jià)格的不斷上升以及環(huán)境問(wèn)題的日益突出，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性成為決定新一代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展方向的主導(dǎo)因素。開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)采用兩轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，下游轉(zhuǎn)子能夠消除上游轉(zhuǎn)子的滑流損失，可比單轉(zhuǎn)子的推進(jìn)效率提高6-8%[1-6]。上世紀(jì)80年代的對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，其燃油經(jīng)濟(jì)性比當(dāng)時(shí)先進(jìn)水平的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高30%以上[7]，相應(yīng)地其污染物和溫室氣體排放也比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低很多。

對(duì)轉(zhuǎn)開(kāi)式轉(zhuǎn)子的研究通常包括數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩種方法，文章采用內(nèi)外域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬方法對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行研究，通過(guò)將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法的可靠性。

3 研究對(duì)象

3.1 模型來(lái)源及介紹

研究選用文獻(xiàn)[8]中的轉(zhuǎn)子模型，其葉尖半徑為200mm，輪轂半徑為50mm，根部為NACA-65系列翼型，中間為雙圓弧翼型，尖部為NACA-16翼型。葉片為后掠式，后掠角為27°[8]。單轉(zhuǎn)子和對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子葉型相同，單轉(zhuǎn)子為6葉片，對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子前后排均為3葉片，其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 單轉(zhuǎn)子和對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子

3.2 模型建立

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中公開(kāi)的幾何數(shù)據(jù)建模，模型分為單轉(zhuǎn)子和對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子兩種，如圖2所示。對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子分為大小間距，小間距前后排轉(zhuǎn)子間距為80mm，大間距為160mm。

圖2 單轉(zhuǎn)子和對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子幾何模型

4 數(shù)值方法

文章流場(chǎng)計(jì)算采用商業(yè)軟件fluent，求解雷諾平均N-S方程，選用k-？著湍流模型以及四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值求解，時(shí)間推進(jìn)采用一階高精度格式。

4.1 單轉(zhuǎn)子計(jì)算域、網(wǎng)格及邊界條件

數(shù)值模擬采用單通道計(jì)算。將計(jì)算域劃分為內(nèi)外域，內(nèi)域?yàn)樾D(zhuǎn)域，外域?yàn)殪o止域。圖3給出了主要的計(jì)算域尺寸和邊界條件，進(jìn)口為速度進(jìn)口，出口和圓周表面為壓力出口，兩側(cè)為周期性邊界條件。內(nèi)外域交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法。網(wǎng)格為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖3 單轉(zhuǎn)子計(jì)算域及邊界條件

4.2 對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子計(jì)算域、網(wǎng)格及邊界條件

對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的計(jì)算方法和單轉(zhuǎn)子基本相同。整體計(jì)算域分為三部分，兩個(gè)內(nèi)域和一個(gè)外域，前后排葉片在兩個(gè)不同的內(nèi)域中，如圖4所示。進(jìn)口為速度進(jìn)口，出口和圓周表面為壓力出口，兩側(cè)為周期性邊界條件，交界面處采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法。采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為110w和100w。

圖4 對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子計(jì)算域

5 計(jì)算結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了單轉(zhuǎn)子的拉力、出口總壓比、相對(duì)氣流角和轉(zhuǎn)折角，對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的出口總壓比、前后排轉(zhuǎn)子間切向速度。將數(shù)值模擬得到的上述流場(chǎng)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

5.1 單轉(zhuǎn)子計(jì)算結(jié)果及分析

表2列出了單轉(zhuǎn)子拉力、出口總壓比、氣流角和轉(zhuǎn)折角測(cè)量的實(shí)驗(yàn)條件，分別對(duì)應(yīng)工況1、2、3。

表2 單轉(zhuǎn)子各實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的拉力指的是轉(zhuǎn)子在前進(jìn)方向上提供的力，單個(gè)葉片的拉力為48.83N，數(shù)值模擬得到的單個(gè)葉片的拉力為52N，誤差為6.5%，在合理的范圍內(nèi)。

如圖5展示了出口總壓比的徑向分布。在50%葉高到90%葉高之間數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。圖6展示了氣流轉(zhuǎn)折角和出口相對(duì)氣流角的徑向分布。無(wú)論是氣流轉(zhuǎn)折角還是出口相對(duì)氣流角，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都非常接近。

5.2 對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子sec1、sec2、sec3的幾何示意圖如圖7。

對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的總壓比、sec1，sec2切向速度、sec3軸向速度的測(cè)量中，β0.75=36度，U0=68m/s，N1=9000rpm，后排轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則有7000rpm，8000rpm，9000rpm三種。

圖8展示了大小間距下sec3處總壓比的徑向分布。隨著后排轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高，出口總壓比也相應(yīng)提高。小間距的數(shù)值模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值，尤其是在葉中部分，基本相同。大間距中，數(shù)值模擬得到的總壓比則偏大，經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為這是由于數(shù)值模擬得到的前后排轉(zhuǎn)子間的切向速度和實(shí)驗(yàn)有一定偏差所致。大間距和小間距的整體趨勢(shì)都和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖9給出了N2=7000rpm時(shí)，section1和section2處的切向速度徑向分布。在r/R=0.5處，切向速度均為15m/s左右。差別偏大的地方在葉尖部分，分析其原因是葉尖附近有網(wǎng)格的轉(zhuǎn)靜交界面，給模擬帶來(lái)誤差。

圖9 sec.1和sec.2切向速度徑向分布

6 結(jié)束語(yǔ)

文章建立了單轉(zhuǎn)子和對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的計(jì)算模型，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，結(jié)論如下：采用基于內(nèi)外域網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的雷諾平均N-S方程定常數(shù)值模擬能夠比較準(zhǔn)確地模擬單轉(zhuǎn)子和對(duì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的流場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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