模擬板吹風試驗結果與數值模擬結果關聯規律

王彥青，張杰，葉巍

（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

模擬板吹風試驗結果與數值模擬結果關聯規律

王彥青，張杰，葉巍

（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

采用CFD方法對惡劣圖譜模擬板進行模擬，通過對模擬結果和試驗結果進行對比分析，總結出CFD模擬結果與吹風試驗結果的關聯規律。結果表明：畸變指數關聯方法，適用于任何堵塞比的模擬板，可以保證周向畸變指數一致，但不能保證低壓區范圍相近和總壓分布相似；距離關聯方法既可保證周向畸變指數一致，又能保證低壓區范圍和總壓分布相似，但只適用于堵塞比較小的情況。

進氣道/發動機相容性；總壓畸變；惡劣圖譜；模擬板；吹風試驗；數值模擬

1　引言

開展進氣道/發動機相容性試驗研究，對進氣道出口惡劣圖譜進行模擬十分重要。惡劣圖譜模擬裝置有多種類型，包括模擬網［1-2］、模擬板［3-4］、隨機頻率發生器［5-6］、插桿插板式模擬器［7］等。其中，模擬板因結構簡單、實用、板后氣流渦流大，可較真實地模擬給定條件下發動機進口截面的總壓畸變等優點，而被美國發動機通用規范所推薦。

進行模擬板設計，人們通常采用CFD技術，對模擬板吹風試驗模擬裝置進行仿真研究［8-9］，進而對試驗結果進行預測，以減少試驗次數。但采用CFD技術進行三維流場仿真時，由于湍流模型對流動摻混模擬存在一定誤差，表現為相同截面上CFD模擬的摻混過程與真實流動不同步，使得CFD仿真與吹風試驗結果存在一定偏差。因此，要準確預測試驗結果，就必須尋找仿真結果與試驗結果的關聯規律，對CFD仿真結果進行修正，本文對此開展了研究。

2　模擬板及仿真計算

共模擬5塊模擬板，其中模擬目標圖譜一3塊（圖1，編號分別為1-1、1-2、1-3），目標圖譜二2塊（圖2，分別為2-1和2-2）。模擬板直徑D=206 mm，模擬板堵塞比及來流馬赫數詳見表1。

圖1　目標圖譜一及其模擬板Fig.1 Target charts 1 and its simulating board

圖2　目標圖譜二及其模擬板Fig.2 Target charts 2 and its simulating board

表1　模擬板及來流馬赫數Table 1 Simulation board and its Mach number

圖3所示為吹風試驗時模擬板試驗件與試驗設備連接示意圖。圖中紅色框內為計算范圍，計算時轉接段2充分拉長（計算時模擬板后長度取5.0D），以確保計算域出口流場較為均勻。

計算采用非結構網格，在板與流場交接處對網格局部加密，流場網格總數約為130萬。采用定常可壓縮流雙精度求解流場參數。湍流模型采用標準k-ε模型，進口采用壓力進口、出口采用壓力出口，壁面默認無滑移絕熱條件。進口邊界總壓101 325 Pa，總溫288.15 K。

對于每塊模擬板，都采用逐漸降低出口總壓的方式，得到不同來流馬赫數（表1）條件下的流場分布。為方便分析，對于模擬板1-1和2-1，反復調整出口邊界總壓，得到與試驗測量來流馬赫數完全一致條件下的流場分布。

試驗時，AIP截面（試驗測量截面）采用6×5等環分布的耙子進行測量。對數值模擬結果，提取6×5等環分布的點進行分析，每個點的流場特征由相鄰4個網格節點插值得到。

圖3　試驗件與試驗設備連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of connection between test piece and test equipment

3　關聯方法

采用畸變指數關聯和距離關聯兩種方法進行分析。

3.1畸變指數關聯

畸變指數關聯為傳統的分析方法，該方法對CFD模擬的畸變指數進行倍數縮放或偏移加減，達到與試驗畸變指數一致。

進行模擬板吹風試驗，AIP截面通常選在板后1.0D位置。因此，CFD模擬結果也取板后1.0D處。把模擬結果與試驗結果進行對比分析，得到修正系數：

式中：α為修正系數，Δσˉ為周向畸變指數。

該方法可保證周向畸變指數一致，但不能保證圖譜相似（即低壓區范圍相近，總壓分布相似）。

3.2距離關聯

設模擬板后轉接段2（圖3）的長度足夠長，則無論是CFD計算還是試驗，該轉接段出口流場都將趨于均勻，畸變指數趨于零。

對于模擬板后1.0D處的畸變指數，如果試驗值小于CFD模擬值，則在CFD流場中一定存在一個CFD取值截面（距模擬板長度為LCFD），該截面與AIP截面（距模擬板長度為LTest）具有相同的畸變指數，見圖4。此外，CFD計算和試驗用模擬板完全相同，因此可預測CFD取值截面與AIP截面的低壓區范圍和總壓分布也相似，即兩截面流場圖譜相似。因此采用LCFD與LTest之間關系作為修正參數，即可得到一個畸變指數相等且圖譜相似的流場：

對于模擬板后1.0D處的畸變指數，如果試驗值大于CFD模擬值，則距離關聯方法不適用。

圖4　CFD結果與試驗結果的映射關系Fig.4 Mapping relationship between CFD results and test results

圖5　模擬板后1.0D處畸變指數隨來流馬赫數變化關系Fig.5 Distortion index vs.Mach number（1.0D after the simulating board）

4　畸變指數關聯規律分析

4.1板后1.0D處流場分析

圖5給出了模擬板后1.0D處流場周向畸變指數隨來流馬赫數的變化。可見，對同一個目標圖譜，無論是試驗還是計算，周向畸變指數都隨來流馬赫數和堵塞比的增大而增大。這是因為來流速度越高、堵塞比越大，氣流對模擬板的沖擊程度越高，板后渦流越大。來流馬赫數較低時，周向畸變指數計算值與試驗值吻合度較好，但隨著馬赫數的逐漸增大，計算值與試驗值的偏差也逐漸增大。這說明CFD計算時湍流模型對流動摻混模擬的誤差、數值計算的截斷誤差以及試驗測量誤差等各種誤差，在低來流馬赫數時對結果的影響較小，在高來流馬赫數時對結果影響較大。對于同一目標圖譜，堵塞比較小（模擬板1-1和2-1）時，周向畸變指數計算值大于試驗值；堵塞比較大時（模擬板1-2、1-3和2-2），則計算值小于試驗值。

4.2CFD模擬結果修正規律分析

為考察1.0D截面上周向畸變指數計算值與試驗值的關聯關系，對每塊模擬板的CFD結果進行插值，然后根據式（1）計算，得到板后1.0D處周向畸變指數計算值與試驗值的關聯規律，如圖6所示。

根據CFD仿真特點，對同一個目標圖譜，當模擬板堵塞比較大時，板后流場易出現大尺度分離現象，相同截面上CFD模擬的分離過程比真實流動慢，畸變指數較低；當模擬板堵塞比較小時，板后相同截面上CFD模擬的摻混過程比真實流動慢，畸變指數較高。

試驗結果和CFD仿真結果顯示，模擬目標圖譜一的3塊模擬板和模擬目標圖譜的二的2塊模擬板中：1-1和2-2的周向畸變指數仿真值大于試驗值，修正系數小于1，且隨來流馬赫數的增大而減小；1-2、1-3和2-2的周向畸變指數仿真值小于試驗值，修正系數大于1，且隨來流馬赫數的增大而增大。

圖6　模擬板后1.0D處畸變指數修正系數隨來流馬赫數的變化關系Fig.6 Distortion correction coefficient vs.Mach number（1.0D after the simulating board）

5　距離關聯規律分析

5.1CFD模擬結果修正規律分析

對于每個來流馬赫數下的模擬結果，在模擬板后1.0D、1.2D、1.4D、1.6D、1.8D、2.0D、2.2D處的流場，分別提取6×5等環分布的點，其流場特征由相鄰4個網格節點插值得到。

圖7給出了上述沿氣流方向提取截面的流場分布特征。可見：同一來流馬赫數下，模擬板后流場周向畸變指數沿氣流方向逐漸減小，氣流在模擬板后空管中流動逐漸趨于均勻。

圖7　畸變指數隨板后位置的變化Fig.7 Distortion index vs.the position after the plate

本文分析的LTest=1.0D，即AIP截面在模擬板后1.0D。要在CFD模擬流場中尋找一個到模擬板距離為LCFD的截面，且該截面畸變指數與AIP截面畸變指數相等，顯然只需將AIP截面畸變指數在圖7中相應線上插值就可得到LCFD的值，然后根據式（2）計算，就可得到基于距離關聯方法的CFD仿真結果修正系數，如表2和圖8所示。可見，對同一塊模擬板（或堵塞比一定條件下），隨著來流馬赫數的增加，基于距離關聯方法的修正系數LˉCFD也增大。

表2　距離關聯規律Table 2 Distance correlation law

5.2CFD修正截面與AIP截面流場特性對比分析

表3為CFD修正截面、AIP截面和CFD仿真板后1.0D截面的流場特性。可見：CFD修正截面與AIP截面的周向畸變指數幾乎完全一致；與CFD仿真板后1.0D截面相比，CFD修正截面的低壓區范圍與AIP截面吻合得更好。如模擬板2-1，來流馬赫數0.152時低壓區范圍增加了5.5°，馬赫數0.289時增加了13.4°。

表3　CFD修正截面與AIP截面流場特性Table 3 Flow field characteristics of CFD modified cross section and AIP section

圖8　距離關聯方法修正系數隨馬赫數的變化Fig.8 Distance correlation method correction coefficient vs.the Mach number

圖9給出了模擬板1-1在來流馬赫數0.304時的周向總壓分布和模擬板2-1在來流馬赫數0.289時的周向總壓分布。可見，與模擬板后1.0D截面相比，CFD修正截面的壓力分布與AIP截面更相近。

6　結束語

畸變指數關聯方法，適用于任何堵塞比的模擬板，可以保證周向畸變指數一致，但不能保證低壓區范圍相近和總壓分布相似。距離關聯方法既可保證周向畸變指數一致，又能保證低壓區范圍和總壓分布相似，但只適用于堵塞比較小的情況。

［1］Werner R A，Abdelwahab M，Braithwaite W M.Performance and stall limits of an afterburner equipped turbofanengine with and without inlet flow distortion［R］.NASA TM X-1947，1970.

圖9　周向總壓分布Fig.9 Circumferential total pressure distribution

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［8］葉巍，陸德雨，李丹.畸變模擬板的設計與試驗研究［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2001，14（2）：1—8.

［9］肖大啟，孫海濤，李澤瑋，等.壓氣機進口壓力畸變模擬數值與試驗研究［C］//.第十七屆葉輪機學術交流會議文集.2014.

Investigation of correlation laws between simulating board air blowing test results and numerical simulation results

WANG Yan-qing，ZHANG Jie，YE Wei
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Simulation has been carried out on simulating plates of a severe contour map.By analyzing and comparing the simulation results and air blowing test results，the correlation laws between CFD simulation results and the experimental results was summarized.The results show that distortion index correlation method is applicable on any simulating plate with consistent circumferential distortion index，but similar range area of low pressure and total pressure distribution cannot be guaranteed；distance correlation method not only can ensure consistent circumferential distortion index，but also the similar low pressure area and total pressure distribution，which is only for relatively small blockage.

inlet/engine compatibility；total pressure distortion；severe contour map；simulating plate；air blowing test；numerical simulation

V233.7+55

A

1672-2620（2015）05-0024-05

2014-12-12；

2015-10-11

王彥青（1976-），女，河南滑縣人，高級工程師，碩士，主要從事航空發動機氣動穩定性設計研究。