基于內外域結構的開式轉子流場數值模擬

吳俁

摘 要：文章采用數值模擬方法對某對轉開式轉子的流場進行了研究，以驗證該方法應用于對轉開式轉子流場模擬的準確性。建立了對轉開式轉子的三維模型，并通過全三維定常數值模擬詳細分析了流場參數。通過拉力、總壓比的徑向分布、出口相對氣流角以及折轉角等參數與實驗數據的比較得知，其結果吻合較好。由此說明，采用內外域網格結構的數值模擬方法對對轉開式轉子流場的模擬結果是可靠的。

關鍵詞：對轉開式轉子；數值模擬；內外域

1 符號表

表1

2 概述

隨著能源價格的不斷上升以及環境問題的日益突出，經濟性和環保性成為決定新一代民用航空發動機技術發展方向的主導因素。開式轉子發動機通過采用兩轉子對轉的結構，下游轉子能夠消除上游轉子的滑流損失，可比單轉子的推進效率提高6-8%[1-6]。上世紀80年代的對轉開式轉子發動機的飛行試驗結果表明，其燃油經濟性比當時先進水平的渦扇發動機高30%以上[7]，相應地其污染物和溫室氣體排放也比渦扇發動機低很多。

對轉開式轉子的研究通常包括數值模擬和實驗兩種方法，文章采用內外域網格結構的數值模擬方法對其流場進行研究，通過將模擬結果和實驗結果進行對比，驗證該方法的可靠性。

3 研究對象

3.1 模型來源及介紹

研究選用文獻[8]中的轉子模型，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]。單轉子和對轉轉子葉型相同，單轉子為6葉片，對轉轉子前后排均為3葉片，其實驗模型如圖1所示。

圖1 單轉子和對轉轉子

3.2 模型建立

根據文獻[8]中公開的幾何數據建模，模型分為單轉子和對轉轉子兩種，如圖2所示。對轉轉子分為大小間距，小間距前后排轉子間距為80mm，大間距為160mm。

圖2 單轉子和對轉轉子幾何模型

4 數值方法

文章流場計算采用商業軟件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構網格，采用有限體積法進行數值求解，時間推進采用一階高精度格式。

4.1 單轉子計算域、網格及邊界條件

數值模擬采用單通道計算。將計算域劃分為內外域，內域為旋轉域，外域為靜止域。圖3給出了主要的計算域尺寸和邊界條件，進口為速度進口，出口和圓周表面為壓力出口，兩側為周期性邊界條件。內外域交界面采用凍結轉子法。網格為四面體非結構網格。

圖3 單轉子計算域及邊界條件

4.2 對轉轉子計算域、網格及邊界條件

對轉轉子的計算方法和單轉子基本相同。整體計算域分為三部分，兩個內域和一個外域，前后排葉片在兩個不同的內域中，如圖4所示。進口為速度進口，出口和圓周表面為壓力出口，兩側為周期性邊界條件，交界面處采用凍結轉子法。采用四面體非結構網格，網格數分別為110w和100w。

圖4 對轉轉子計算域

5 計算結果及分析

實驗測量了單轉子的拉力、出口總壓比、相對氣流角和轉折角，對轉轉子的出口總壓比、前后排轉子間切向速度。將數值模擬得到的上述流場參數和實驗結果進行了比較。

5.1 單轉子計算結果及分析

表2列出了單轉子拉力、出口總壓比、氣流角和轉折角測量的實驗條件，分別對應工況1、2、3。

表2 單轉子各實驗工況

實驗測量的拉力指的是轉子在前進方向上提供的力，單個葉片的拉力為48.83N，數值模擬得到的單個葉片的拉力為52N，誤差為6.5%，在合理的范圍內。

如圖5展示了出口總壓比的徑向分布。在50%葉高到90%葉高之間數值模擬和實驗結果基本一致。圖6展示了氣流轉折角和出口相對氣流角的徑向分布。無論是氣流轉折角還是出口相對氣流角，數值模擬結果和實驗結果都非常接近。

5.2 對轉轉子計算結果及分析

對轉轉子sec1、sec2、sec3的幾何示意圖如圖7。

對轉轉子的總壓比、sec1，sec2切向速度、sec3軸向速度的測量中，β0.75=36度，U0=68m/s，N1=9000rpm，后排轉子轉速則有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。隨著后排轉子轉速的提高，出口總壓比也相應提高。小間距的數值模擬結果更接近實驗值，尤其是在葉中部分，基本相同。大間距中，數值模擬得到的總壓比則偏大，經過分析，認為這是由于數值模擬得到的前后排轉子間的切向速度和實驗有一定偏差所致。大間距和小間距的整體趨勢都和實驗結果相吻合。

圖9給出了N2=7000rpm時，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格的轉靜交界面，給模擬帶來誤差。

圖9 sec.1和sec.2切向速度徑向分布

6 結束語

文章建立了單轉子和對轉轉子的計算模型，對其流場進行了數值模擬和分析，結論如下：采用基于內外域網格結構的雷諾平均N-S方程定常數值模擬能夠比較準確地模擬單轉子和對轉轉子的流場。

參考文獻

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[7]What Ever Happened to Propfans[J].Flight Global， 2007.

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[9]Fujii， S. Noise and Performance of a Counter-Rotation Propeller[J].Journal of Aircraft，1986，23（11）：719-724.