帶蓋板預旋系統流動與溫降特性的數值模擬

彭鴻博，劉志宏,劉 聰,張宗衛

(中國民航大學航空工程學院,天津 300300)

渦輪作為航空發動機的核心部件,其性能的好壞直接影響發動機的整體性能。為了提高渦輪的可靠性,勢必要降低其溫度,對渦輪組件進行冷卻,因此研究更加高效的渦輪冷卻方法就變得尤為重要。預旋進氣冷卻方式是目前普遍應用的冷卻方法,它主要是通過預旋噴嘴對冷氣加預旋,使氣流形成一個周向速度分量,降低氣流相對總溫的方法提高冷卻效果。

為了探究更加高效的冷卻方法,提高渦輪的可靠性,中外學者進行了大量的研究。Meierhofer等[1]首先通過實驗驗證了預旋系統顯著降低冷卻空氣相對總溫的事實,同時還提出用冷氣速度與轉盤速度的比值來評價預旋效果。Karabay等[2]提出預旋系統可分為兩大類:大半徑(直接式預旋系統)和小半徑(蓋板式預旋系統),并通過雷諾類比計算絕熱盤的溫度,發現存在最佳預旋比使得平均努賽爾數最小。Geis等[3]通過實驗研究了直接式預旋系統的冷卻效率和接收孔總溫受旋轉雷諾數和進氣流量的影響規律,并將實驗數據與理論模型進行了對比。Yan等[4]采用實驗和數值計算研究了轉速、進氣流量、預旋比和預旋噴嘴數對預旋系統流量系數和系統總壓損失的影響。Zhang等[5]研究了直接式預旋系統的中心進氣流量與預旋流量比值和轉速對系統流動結構、總壓損失和絕熱效果的影響,發現絕熱效果隨流量比的增加而降低。羅翔等[6]對直接式預旋系統的二維和三維的簡化模型進行了數值計算,指出二維計算不能反映高位腔內中心入流與預旋入流的摻混,主盤面的換熱主要受中心入流影響。

Jarzombek等[7]采用數值計算與實驗結合的方法研究了高半徑預旋系統的流動情況,給出噴嘴與接收孔半徑比、預旋腔高度、寬度對預旋效率和盤腔總壓損失的影響。Lewis等[8]分析了旋轉雷諾數、預旋比、湍流系數對預旋系統的絕熱效率和接收孔流量系數的影響。楊成鳳等[9]運用RNGk-ε湍流模型對高旋轉雷諾數下的轉靜盤腔流動換熱特性進行了研究,分析旋轉雷諾數、進氣流量對轉盤換熱的影響。何振威等[10]通過實驗分析了預旋進氣系統溫降測量誤差的影響,發現系統誤差對實驗結果的影響較大,隨機誤差對實驗結果的影響非常小。吳衡等[11]采用數值計算分析了葉輪對預旋系統流動和溫降功耗特性的影響,結果表明，葉輪可以提高氣流的旋轉比,提高預旋系統溫降,降低功耗。程舒嫻等[12]運用SST湍流模型分析了3種不同進氣預旋比和湍流系數對轉靜盤腔內的流動換熱特性的影響,指出當進氣預旋比達到1.5左右時,轉盤無需推動氣流轉動,氣流總溫相對較低。

針對在預旋系統中起重要作用的預旋噴嘴,Javiya等[13]比較了葉柵型噴嘴和兩個孔型噴嘴在標準k-ε模型和S-A模型下的流動特性,發現兩種湍流模型的數值計算結果非常相似,葉柵型噴嘴比兩個孔型噴嘴的性能更好。陳堯等[14]實驗研究了不同預旋進氣角度、長徑比、進出氣壓比和擴張面積比對預旋孔流量系數的影響,發現預旋孔進口擴張能提高流量系數。上述研究僅針對預旋孔的流動特性,并未將整個預旋系統考慮在內。因此,現通過對蓋板式預旋系統進行數值計算,分析轉靜盤腔在有無預旋情況下的流動溫降特性,研究噴嘴結構對預旋系統流動情況與溫降效果的影響,進一步研究在不同轉速(工況)下的流動與溫降特性。

1 數值計算

1.1 計算模型及網格

發動機渦輪二次空氣冷卻蓋板式預旋系統的結構如圖1(a)所示,主要由預旋噴嘴、預旋腔、接收孔、蓋板腔、出流孔等結構元件組成,為方便計算,忽略預旋腔和蓋板腔寬度的變化,固定盤腔寬度,簡化后的計算模型如圖1(b)所示,其中預旋噴嘴、接收孔和出流孔的數量均為24個,盤腔外半徑為180 mm,預旋噴嘴直徑5 mm,其幾何結構參數如圖2所示。接收孔直徑為12 mm,出流孔直徑為10 mm。為了簡化計算,取模型的1/24進行計算。

圖1 預旋結構模型Fig.1 Pre-swirl structure model

圖2 噴嘴幾何參數Fig.2 Nozzle Geometric parameters

使用ICEM軟件對模型進行網格劃分,計算網格均采用六面體網格,對所有近壁面都進行了加密處理,采用Y+計算器對第一層網格間距進行計算,每層膨脹比例為1.2,保持y+值在10的量級左右,模型網格如圖3所示。對80萬、110萬、140萬、170萬、200萬網格進行無關性驗證后,網格數確定在140萬左右。

圖3 模型網格Fig.3 Grid model

1.2 計算方法

采用流體計算軟件FLUENT進行計算,計算流體選用理想氣體,其動力黏度隨Sutherland公式變化。啟用N-S能量方程,耦合方式采用速度壓力SIMPLE,方程離散采用二階迎風格式。

為了驗證數值方法的有效性,文獻[15]中的實驗模型與本文的計算模型類似,采用與實驗相同的進出口條件,利用其簡化的模型與實驗結果在旋轉雷諾數Reω=1.3×106,湍流參數λT=0.5的工況下進行對比驗證,對比結果如圖4所示,圖4中，β為旋流比，r為徑向高度，b為轉盤半徑。蓋板腔內沿徑向變化的旋流比β∞分布情況,相比于SST和RNGk-ε湍流模型,標準k-ε湍流模型更接近于實驗結果,因此選用標準k-ε湍流模型,其數值方法可靠有效。

圖4 蓋板腔旋流比的分布情況Fig.4 Swirl ratio distribution in cover-plate cavity

1.3 邊界條件

系統進口給定總壓、總溫,出口給定靜壓,旋轉壁面和旋轉域給定轉速,動靜交界面設置為GGI interface,選用Frozen Rotor[16]法處理轉靜交界面,周期壁面設置旋轉周期性邊界,旋轉軸為負z軸,角度為15°,其他壁面均采用絕熱無滑移邊界條件,采用標準壁面函數對近壁面進行處理。

2 計算結果分析

2.1 參數定義

旋轉雷諾數Reω定義為

(1)

式(1)中:ρ為氣流密度,kg/m3；ω為轉盤旋轉角速度,rad/s；μ為氣體動力黏度,N·s/m2；b為轉盤外半徑,m。

湍流參數λT定義為

λT=CωReω-0.8

(2)

式(2)中：Cω為無量綱質量流量，定義為

(3)

旋流比β定義為

(4)

式(4)中:vφ為氣流周向速度,m/s；v為氣流速度,m/s；φ為出氣角度；r為徑向高度,m。

無量綱溫降Θ定義為

(6)

總壓損失系數ζ定義為

(7)

2.2 預旋結構與無預旋結構的流動與溫降特性

圖5給出了在相同進出口條件下垂直進氣(無預旋結構)和預旋進氣(預旋角為30°)兩種進氣方式在中截面處(x=0)的流場分布情況。從圖5中可以看出,兩種進氣方式下的流場結構具有明顯的差別,圖5(a)中氣流沿直噴嘴進入轉靜盤腔,在旋轉盤和壁面的影響下在腔內形成幾個不規則的逆時針旋轉的漩渦,同時在接收孔內也形成了一個漩渦,這種現象主要是由于氣流沖擊到壁面的回流以及沖擊射流的卷吸作用導致的。圖5(b)中在轉靜盤腔形成的漩渦明顯比圖5(a)的大且規則,這是因為在預旋的作用下使得沖擊射流的卷吸作用更加強烈,從而在蓋板腔低半徑處形成一個順時針漩渦,高半徑處形成一個逆時針漩渦,這兩個強大的漩渦增強了轉盤區域和轉靜腔的流動,使氣流在整個盤腔充分流動。垂直進氣的蓋板腔和出流孔有部分回流,預旋進氣出流孔流出的氣流明顯比垂直進氣方式更順暢。

圖5 兩種進氣方式中截面流場分布Fig.5 Flow field distribution of section in two inlet modes

圖6所示為兩種進氣方式系統出口的總溫分布云圖。從圖6可見,預旋進氣相較于垂直進氣的總溫有明顯降低,溫度分布也比無預旋結構更加均勻。這是因為當進氣條件相同時,兩種進氣方式噴嘴出口處的進氣流量和冷氣速度大小基本相同,唯一不同的是進入轉靜盤腔的氣流方向,預旋進氣方式下有著與轉盤方向相同的周向速度分量,降低了氣流相對與轉盤的相對速度,從而降低氣流與轉盤的相對總溫和相對壓力,出口氣流總溫減小。這也就解釋了圖7中預旋進氣比垂直進氣的無量綱壓力明顯減少的情況。而垂直進氣方式下由噴嘴流出的冷氣氣流沒有周向速度分量,氣流直接沖擊進入轉靜盤腔,相比于預旋結構,對預旋轉靜盤腔壁面的沖擊增強,流動損失增大,系統出口溫度沒有得到明顯的降低。

圖6 兩種進氣方式系統出口總溫分布Fig.6 Total outlet temperature distribution of two intake systems

圖7所示為蓋板腔中心面處的無量綱總壓變化曲線,可以看出,蓋板腔內的無量綱總壓隨著半徑的增大而增大,這主要是受離心增壓的影響。預旋進氣相比垂直進氣的壓力有明顯的降低,主要是由于上文提到的預旋的作用。

圖7 蓋板腔內的無量綱總壓分布Fig.7 Dimensionless total pressure distribution in the cover cavity

2.3 預旋角度對盤腔流動與溫降特性的影響

圖8給出了不同角度下噴嘴截面的速度矢量計算結果(Reω=6.9×106),可以看出，氣流經集氣腔進入噴嘴后加速流入轉靜腔,在噴嘴入口拐角處氣流發生較明顯的速度分離,造成噴嘴迎風面速度增大，背風面速度降低并造成一定的流動損失,隨著噴嘴角度的增大,流過盤腔的氣流周向速度逐漸減小。

圖8 噴嘴截面的速度矢量分布Fig.8 Velocity vector distribution of the nozzle section

圖9所示為Reω=6.9×106時,不同噴嘴角度下的系統中截面流場分布情況。從圖9中可以看出,噴嘴角度為30°時,氣流受壁面阻礙在轉靜腔高半徑處形成兩個漩渦,蓋板腔的高低半徑處各形成一個漩渦。隨著噴嘴角度的增大,轉靜腔高半徑處的一個漩渦逐漸減小消失并受接收孔拐角的影響在低半徑處形成兩個逐漸增大的漩渦,蓋板腔低半徑處的漩渦逐漸被擠壓向壁面,對氣流的導向作用減弱。

圖9 中截面流場分布Fig.9 Flow field distribution in the middle section

圖10和圖11分別為在旋轉雷諾數為6.9×106,預旋角分別為30°、40°、50°時預旋孔軸截面處的總溫和靜壓分布云圖。可以看出,隨著預旋噴嘴角度的增大,流過盤腔的氣流總溫和靜壓都增大。這種情況是由于隨著預旋噴嘴角度增大,噴嘴出口切向速度分量減小,氣流進入盤腔的周向速度降低,氣流相對于轉盤的相對速度也就增大,盤腔總溫和靜壓也就逐漸增大。總體來說,預旋噴嘴角度越大則對盤腔的冷卻效果越差。

圖10 噴嘴截面總溫分布Fig.10 Total temperature distribution of nozzle section

圖11 噴嘴截面靜壓分布Fig.11 Static pressure distribution of nozzle section

2.4 旋轉雷諾數對盤腔流動與溫降特性的影響

圖12所示為噴嘴中截面流場分布,當旋轉雷諾數從Reω=4.45×106增加到Reω=12.15×106,蓋板腔處的漩渦消失,受入口氣流沖擊影響減小使流線逐漸沿周向,旋轉域的泵轉效應逐漸增強,轉盤對冷氣的做功能力也隨之增強,離心作用增大,整個腔體內的流通能力增大,流量也就增加。另外,在相同的進氣條件下,噴嘴角度越大,噴嘴出口處對氣流的阻礙作用越小,氣流經過噴嘴后的流動損失就越小,通過盤腔的流量就越大。圖13所示為系統無量綱質量流量隨旋轉雷諾數的變化曲線,由圖13中可知,隨著旋轉雷諾數的增大,系統無量綱質量流量Cw逐漸增大,噴嘴角度越大,系統流量越大,Reω=4.45×106,噴嘴角度為30°時的無量綱質量流量比噴嘴角度為50°減小將近10.7%。結合流線的變化可知,旋轉雷諾數的增大增強了系統的流通能力,導致系統的流量增大。

圖12 噴嘴截面流場分布(α=30°)Fig.12 Flow field distribution in the nozzle(α=30°)

圖13 無量綱質量流量隨旋轉雷諾數的變化Fig.13 Variation of dimensionless mass flow with rotating Reynolds number

圖14所示為總壓損失系數隨旋轉雷諾數的變化情況,由圖14可知,總壓損失系數隨著旋轉雷諾數的增大而逐漸減小,噴嘴角度越大,總壓損失越小,Reω=12.15×106,噴嘴角度為30°時的總壓損失系數比噴嘴角度為50°增大將近0.3%。由式(7)得,系統出口靜壓一定,總壓損失大小主要取決于氣流出口相對動壓和轉速,轉速的增大使得氣流相對轉盤的速度增大,相對動壓增大,但轉速的影響比相對動壓的影響大,使得總壓損失系數整體減小。相同旋轉雷諾數下,總壓損失系數的大小主要取決于系統出口的相對總壓,預旋角越大則氣流的周向速度越小,與轉盤的相對速度越大,出口的相對總壓也就越大,總壓損失系數越小。

圖14 總壓損失系數隨旋轉雷諾數的變化Fig.14 The total pressure loss coefficient varies with the rotating Reynolds number

圖15所示為噴嘴角度為30°時,不同旋轉雷諾數下的噴嘴中截面總溫分布云圖,由圖15可以看出,盤腔總溫隨著旋轉雷諾數的增大而逐漸減小。圖16顯示了系統無量綱溫降隨旋轉雷諾數的變化曲線,無量綱溫降隨著旋轉雷諾數的增大而減小。Reω=4.45×106,預旋角為30°時的無量綱溫降比預旋角為50°時增大23.7%。當轉盤絕熱時,由式(5)、式(6)得,預旋系統的無量綱溫降主要受旋流比影響,如圖17所示,當旋轉雷諾數增大時,旋流比減小,故無量綱溫降減小。相同進氣條件下預旋角越小,旋流比越大,那么無量綱溫降就越大。

圖15 噴嘴截面總溫分布(α=30°)Fig.15 Total temperature distribution in the nozzle(α=30°)

圖16 無量綱溫降隨旋轉雷諾數的變化Fig.16 Variation of dimensionless temperature drop with rotating Reynolds number

圖17 噴嘴出口旋流比隨旋轉雷諾數的變化Fig.17 Nozzle outlet swirl ratio changes with rotating Reynolds number

3 結論

針對蓋板式預旋系統的流動與溫降特性進行數值計算,在相同進氣條件下,對比研究了預旋結構和無預旋結構以及不同噴嘴角度結構下的盤腔流動情況和溫降效果,分析旋轉雷諾數對預旋系統流動特性和溫降效果的影響,得出以下結論。

(1)在相同進氣條件下,預旋結構在蓋板腔內形成的兩個漩渦增強了整個盤腔的流動,其流場結構和溫降效果要明顯優于無預旋結構。

(2)相同旋轉雷諾數下,隨著預旋噴嘴角度的增大,盤腔周向速度減小,蓋板腔內漩渦變小,整個盤腔的總溫和靜壓均增大,溫降效果變差。

(3)隨著旋轉雷諾數的增大,預旋系統的無量綱質量流量增大,無量綱溫降和總壓損失系數均減小,Reω=4.45×106時,預旋角為30°時的無量綱溫降比50°時高23.7%