間冷回熱渦扇發動機回熱器在噴管內的安裝布局研究

童傳琛，婁德倉，朱曉華（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

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間冷回熱渦扇發動機回熱器在噴管內的安裝布局研究

童傳琛，婁德倉，朱曉華
（中國燃氣渦輪研究院，成都610500）

摘要：通過引入多孔介質模型，建立了適用于復雜管束結構的CFD計算模型，并利用文獻數據對其進行了校核。在此基礎上，對安裝回熱器模塊后的噴管流場進行數值仿真研究，得到燃氣在噴管內的流動結構、壓力損失及流量分配參數。基于Isight優化平臺，在給定相同壓力損失條件下，得到通過回熱器最大總燃氣流量下的安裝方案，以及安裝變量對優化目標函數的影響權重，可為回熱器安裝設計提供指導，并為進一步的全三維CFD研究提供理論支持。

關鍵詞：航空發動機；間冷回熱循環；回熱器；壓力損失；多孔介質模型；優化安裝設計；流量平衡

installation optimization；balance of mass flow

1　引言

隨著環境和能源問題的日益凸顯，國內外航空動力研究機構及相關公司提出了間冷回熱循環發動機這一新概念，并對其開展了大量的研究工作［1-2］。間冷回熱循環發動機通過在壓氣機級間布置間冷器和在噴管內布置回熱器，來達到提高發動機熱循環效率的目的。其中回熱器、間冷器的研制及安裝技術，為該類發動機的關鍵技術［3］。

中國燃氣渦輪研究院于國內率先開展間冷回熱循環發動機研制，完成了回熱器結構的設計優化?；責崞餍倔w采用U型管束，管束為橢圓管式結構，并按照5/4/5的形式布局，見圖1。整個回熱器組件由8個回熱器單元模塊組成，布置在發動機噴管內。其中6個單元模塊沿軸向分成兩組對稱分布，另外兩個模塊置于兩側，具體的空間布局見圖2。

回熱器在發動機中的安裝方式，會對噴管性能、燃氣回熱器單元內流量分配及回熱器換熱性能帶來影響，進而影響整個發動機的熱力循環效率。因此，有必要研究安裝回熱器后噴管內燃氣流動，為回熱器的安裝設計提供指導和理論支持。為此本文通過建立的基于多孔介質計算方法的噴管內流場數值仿真研究模型，對不同安裝結構下噴管內燃氣流阻損失及燃氣流量在各換熱模塊內的分配進行分析，并基于Isight優化平臺，對回熱器安裝進行優化。

圖1　回熱器尺寸及管束間距Fig.1 The size of recuperator and space between tubes

圖2　回熱器單元體空間布局Fig.2 The installation of recuperator in the nozzle

2　多孔介質CFD模型

由于回熱器管束多且密集，若采用全三維CFD方法需數量龐大的計算網格，且耗時耗資源，難以在工程設計中廣泛應用。為此，本文合理簡化出二維計算模型，建立了適用于回熱器流動傳熱計算的多孔介質模型，并在此基礎上完成計算和分析。

2.1多孔介質連續方程

單位時間微元體內流體質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的流體凈質量。由于所研究回熱器芯體結構內部的氣流流動與傳熱是穩態情況，所以連續方程為：

式中：εs為多孔介質的孔隙率，即回熱器縫隙體積與整個回熱器單元體體積之比；ρ為空氣密度；V→為泄漏氣流速度。

2.2多孔介質動量守恒方程

微元體內流體的動量隨時間的變化率，等于加在該微元體上的所有外力之和。由于研究對象內部氣流流動與傳熱是穩態情況，所以動量守恒方程為：

式中：μ為空氣動力粘性系數，SV為其他粘性項之和，Si為多孔介質所附加的動量源項。

動量源項包括粘性損失項和內部損失項，即：

式中：等式右邊第一項為粘性損失項，第二項為內部損失項，α、C2分別為多孔介質的流動阻力系數和內部損失系數。

3　多孔介質模型試驗驗證

針對本文所設計的回熱器模型，在采用多孔介質模型計算研究中，由于缺乏相關試驗數據和經驗關系式，因此回熱器芯體部分采用直接數值計算方法。通過計算得到壓力損失與速度的關系式，再將該關系式應用到回熱器的安裝設計計算中，從而解決了復雜結構的流場計算仿真問題。

3.1回熱器多孔介質模型建立

回熱器芯體外部流動二維計算模型如圖3所示，利用商業軟件Ansys-fluent完成不同速度工況下回熱器芯體部分流場計算。圖4為計算的某一速度工況下回熱器芯體內壓力、速度分布云圖。根據計算的壓力損失與速度結果，二者的擬合關系式為Δp = 5.150V2+ 1.872V，見圖5。從而確定多孔介質計算模型中內部阻力系數、流動阻力系數。

圖3　二維流動計算模型Fig.3 The 2D CFD model of the flow

文獻［4］、［5］中的換熱器模型同樣為U型管式換熱器，由若干截面為橢圓的U型管組成，并以4/3/4的形式布置在兩個集流管上。文中根據其試驗數據，對多孔介質模型在換熱器CFD中的應用進行驗證。將1/2U型管式換熱器置于安裝通道中，建立如圖6所示的CFD驗證模型。計算時，將換熱器處理成各項同性的多孔介質模型。

圖4　回熱器芯體內部流動CFD計算結果Fig.4 The computational results of flow condition in the core part of recuperator by CFD

圖5　回熱器芯體內部流動壓力損失與速度的擬合關系式Fig.5 The relationship between pressure loss and velocity

圖6　換熱器的多孔介質假設Fig.6 The porous media of heat exchanger

3.2 CFD模型驗證

進口為速度入口，速度分別為3.50、6.01、9.23、 10.85 m/s，進口湍動能均為0.6%；右側為壓力出口，湍動能為5.8%。采用SST k - w湍流模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，解收斂標準為各項殘差精度均小于10-5。

圖7為燃氣通過帶有回熱器的通道后的總壓分布，可直觀看出氣流在回熱器芯體內的流動和壓力分布。圖8為計算壓力損失與試驗結果的對比，可見計算結果與試驗結果吻合較好，最大相對誤差僅2.64%。說明多孔介質模型能較為準確地描述氣流通過回熱器后的壓力變化。

圖7　燃氣在通道內的總壓力分布云圖Fig.7 Total pressure distribution of the exhaust gas

圖8　壓力損失數值計算和試驗數據對比Fig.8 Comparison between experimental data and CFD results of pressure loss

回熱器在噴管內的安裝主要是對安裝角度進行精心設計計算，在給定壓力損失下確定通過回熱器的燃氣流量達到最大。為減少計算量，根據安裝回熱器后噴管流道的三維結構模型，簡化為二維軸對稱CFD模型，如圖9所示。圖中，α、β、γ分別為回熱器1～3與發動機的軸向安裝角。

4　回熱器安裝布局性能分析

4.1初始設計方案

根據設計的噴管、換熱器模型，并參照文獻［5］提供的安裝方案，建立初始設計方案，表1給出了各回熱器模塊安裝角及燃氣流量和總流量。

圖9　回熱器二維安裝模型Fig.9 Installation arrangement of recuperator in 2D model

表1　初始設計方案及計算流量Table 1 Installation angel and mass flow in the original scheme

初始安裝方案噴管內流動信息見圖10、圖11?？梢?，初始安裝方案中噴管內流動存在較多的旋渦區域，特別是在回熱器1的頭部和下部，流動旋渦明顯，流量分配不均勻，說明該安裝方案不合理，氣流流動有待改善。

圖10　噴管內燃氣總壓和靜壓分布云圖Fig.10 Contours of total pressure and static pressure distribution in the nozzle

圖11　噴管內燃氣速度矢量圖Fig.11 Exhaust gas vector plot in the nozzle

4.2 Isight優化設計

選用Isight優化平臺［6］自帶的多島遺傳算法對回熱器安裝角度進行優化設計，流程如圖12所示。根據要求將幾何模型導入Gambit完成網格劃分，Fluent讀入Gambit組件的網格文件，完成計算邊界和多孔介質模型參數設置和流動計算，并將結果傳遞到Calculator進行處理分析。

圖12　 Isight優化計算流程Fig.12 Procedure of optimization based on Isight software

4.3優化設計

為便于研究，以α=15°、β=15°、γ=13°為基準模型。設計變量為回熱器與軸向安裝角的調整量，相應于回熱器1～3分別記為a1、a2和a3。則回熱器安裝優化可描述為：

優化目標最大流通流量：Maximum∑iFi×Gi（Fi為權重因子，取1.0；Gi為單個換熱器燃氣流量）。

約束條件：受噴管尺寸限制，優化角度調整量為-6°≤a1≤6°，-5°≤a2≤5°，-5°≤a3≤5°。

針對所研究問題，給定噴管進出口壓差，通過計算優化得到通過回熱器最大總燃氣流量的安裝方案為最佳角度安裝方案。圖13示出了總流量經過640種方案的優化歷程。

圖13　目標函數優化歷程Fig.13 The convergence history of target function

圖14示出了優化設計變量（安裝角度調整量）對輸出結果（總流量）的影響，圖中右上方虛線表示設計變量與輸出結果正相關，左下方實線表示負相關。從圖15中可進一步看出設計變量對輸出結果的影響：a3對總流量的影響較大，且減小a3能提高通過回熱器的總流量；a1、a2與換熱器總流量正相關，但影響較小，改變a1將影響通過回熱器2的總流量；a2與回熱器1、回熱器3總流量正相關，與回熱器2總流量負相關。

圖14　優化設計變量與輸出結果關聯因子圖Fig.14 The relationship between design variables and output results

圖15　設計變量對優化結果的影響Fig.15 The impact of design variables on the optimization results

表2　為優化設計得到的最佳安裝角及優化后通過回熱器的總流量。與初始方案相比，流量明顯提高。圖16、圖17分別為優化后噴管內的壓力分布云圖和速度矢量圖。噴管內流場較初始方案有所改善，特別是在回熱器1下方，氣流旋渦明顯減少，流場結構良好。但在回熱器1頭部、回熱器3尾部及噴管椎部，仍存在旋渦回流區，需通過其他方案進一步改善噴管內流場。

圖16　優化后噴管內燃氣總壓和靜壓分布云圖Fig.16 Optimized contours of total pressure and static pressure distribution of exhaust gas in the nozzle

5　結論

在回熱器結構設計的基礎上，根據噴管模型，建立了回熱器的安裝計算模型，完成了安裝回熱器后噴管內流動的CFD計算，得到如下結論：

（1）建立了適用于管束回熱器流動換熱的多孔介質CFD計算模型，并將計算結果與相關文獻結果進行了對比分析，確定了方法的可靠性；基于創建的多孔介質計算模型，對安裝回熱器后噴管內的流場進行了數值模擬研究。

（2）基于Isight優化平臺，完成了回熱器安裝角度的優化設計，得到了各設計變量對優化目標的影

圖17　優化后燃氣噴管內速度矢量圖Fig.17 Optimized vector plot of the exhaust gas flow in the nozzle

響關系，可為回熱器安裝設計及全三維CFD計算提供指導。

（3）本文所做研究只考慮了噴管內燃氣流動及損失，未考慮回熱器換熱及換熱對流場的影響。下一階段將開展回熱器在噴管內安裝后的換熱性能試驗研究，并根據二維優化安裝方案，建立三維CFD模型，進行全面的計算研究。

參考文獻：

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［5］Missirlis D，Yakinthos K，Palikaras A，et al. Experimental and numerical investigation of the flow field through a heat exchanger for aero-engine applications［J］. International Journal Heat and Fluid Flow，2005，26：440—458.

［6］賴宇陽. Isight參數優化理論與實例講解［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2012.

Installation layout of recuperator in nozzle for an intercooled recuperated engine

TONG Chuan-chen，LOU De-cang，ZHU Xiao-hua
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：The CFD model adapting to the complex tube geometry was built by using the porosity model. For the validation of the CFD modeling，the comparison between experimental data from reference and calculation results was carried out. Based on the CFD model，the nozzle flowfield was investigated，the flow structure，pressure loss and mass flow distribution of the gas were obtained. The optimized installation was the maximization of the mass flow for the same amount of pressure loss in the Isight platform. During procedure of the optimization，the weight factors of installation variables on optimized object function were also obtained. It not only provides guidance for recuperator installation design，but also theoretical support for further full 3D CFD research.

Key words：aero-engine；intercooled recuperated cycle；recuperator；pressure loss；porous media；

中圖分類號：V231.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0041-06

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-02

作者簡介：童傳?。?987-），男，河南周口人，工程師，碩士，從事航空發動機冷卻設計及熱分析。