三種收縮段在壓氣機試驗器中流場特性對比

鄒子翔

（中國航發湖南動力機械研究所，中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002）

0. 引言

壓氣機試驗器的進氣系統是壓氣機試驗器中非常重要一個分部[1]，進氣系統出口流場的性能指標（湍流度、速度不均勻度、總壓不均勻度等）會直接影響到壓氣機試驗件進口條件，從而影響壓氣機試驗的真實性能。因此，具有一個良好流場品質的壓氣機試驗器進氣系統是十分關鍵的，行業標準對壓氣機氣動性能試驗的進氣流場品質有相關要求。標準文件規定壓氣機入口總壓不均勻度不大于5%，湍流度不大于3%[2]。對于壓氣機試驗進氣系統設計準則，在收縮段曲線上沒有統一的要求，目前國內對于收縮段型線的研究國內不少學者在這也有一定的結論，但是他們都是單獨對型線進行研究，未將收縮段型線帶入試驗器整體進行對比。將不同型線帶入試驗器進氣系統中進行整體的流場計算更為準確。

本文采用數值模擬的方法，使用航標中的設計準則以某壓氣機的設計流量（3.5kg/s）進行設計，并將維氏曲線、雙三次曲線和五次曲線帶入試驗器中進行整體數值模擬，分析它們的流場品質。

1. 模型介紹

1.1 進氣系統模型及簡要介紹

試驗器進氣系統的結構如圖1所示，對進氣系統的某些結構進行了適當簡化：省略了擴壓段中節流閥對進氣系統氣流的影響，沒有考慮試驗件對試驗器進氣系統的影響，不考慮加工誤差和安裝誤差。

圖1 進氣系統模型結構及尺寸（mm）

收縮段型示意線圖2所示，3種收縮段的計算公式如下所示，維氏曲線在進口部分收縮快，后部收縮慢；雙三次曲線和五次方曲線的進出口都比較平緩。

圖2 收縮段型示意線圖

維氏曲線：

雙三次曲線：

五次曲線：

1.2 網格劃分

本文使用ICEM對流體域進行分區域網格劃分，網格類型為結構化網格，對3種模型進行網格無關性驗證后網格總數分別為422萬（維氏曲線模型）、450萬（雙三次曲線模型）、480萬（五次曲線模型）。

1.3 參數設置

本文流體域求解通過CFX軟件進行計算，參數設置在CFX-pre中進行。流體介質為理想氣體，參考壓力為0Pa，氣流為絕熱流動，流體與壁面不發生熱量交換。蜂窩器和阻尼網設置為多孔介質，開孔率分別為0.88和0.76，二次阻力系數（Quadratic Resistance Coefficient）KQ分別為0.6和 556。

湍流模型為標準k-ε模型，近壁面處理方法采用標準壁面函數。入口邊界條件給定opening，壓力為101325Pa標準大氣壓，出口為質量流量出口，出口流量為3.5kg/s。

2. 數值模擬結果

2.1 不同收縮段型線下的流場出口分析

不同收縮段型線下的流場出口參數見表1。其中，湍流強度是反映該截面氣流速度脈動程度的一種參數。

表1 三種不同收縮段型線壓氣機試驗器進氣系統出口參數

從上表1中可以看出，3種不同型線的收縮段，出口參數都非常接近且都達到了標準要求的參數值。平均氣流角都小于1°，可以認為出口流場都為水平方向。

從圖3所示出口總壓分布云圖中可以看出，3種收縮段出口的主流區的總壓分布十分均勻，近壁面位置總壓略低。因為由于流體具有粘性，在靠近壁面的位置會產生附面層，附面層內的氣流總壓會隨著離壁面距離的減小而降低。

圖3 不同收縮段型線出口總壓分布云圖

從上面的出口參數來看，在將不同收縮段曲線帶入壓氣機試驗器進氣系統進行整體計算可以得出3種不同的收縮段曲線出口的流場品質接近。

2.2 不同收縮段型線下的測量截面分析

3種不同型線的進氣系統在流量管測量截面的靜壓分布如圖4所示。

在壓氣機試驗中，壁面靜壓是流量計算的重要參數之一[3]，從圖4中能看出，3種不同模型只有維氏曲線的進氣系統在靜壓測量壁面的靜壓是均勻的，靜壓不均勻度為2.90%。另外2個模型在壁面靜壓分布不均勻，靜壓不均勻度分別雙三次曲線模型：5.19%，五次曲線模型：5.36%。在標準中，對流量管靜壓測量截面的靜壓不均勻度要求為小于5%，3種模型只有維氏曲線模型達到要求，后兩種模型如果要達到該標準，可以嘗試在流量管進口增加進氣整流罩來實現。

圖4 不同收縮段曲線進氣系統流量管測量截面靜壓分布云圖

2.3 不同收縮段型線下的測量截面流量波動分析

通過非定常計算來計算出3種不同收縮段的試驗器進氣系統在測量截面下的流量波動量，目前所內所采用的數采系統的采樣率為8S/sec，在非定常計算中，所取得點數與數采系統采樣率一致。因此選取的樣本數據為40個連續采集的數據點，數據點均為壓氣機試驗件設計轉速下堵點的數據，計算公式為：

其中：δWc為流量管測量流量的相對波動量；為流量管測量流量的平均值，樣本為連續40個測點數據。

3種不同收縮段的試驗器計算所得的測量截面流量波動量如表2所示。

表2 3種不同收縮段壓氣機試驗器進氣系統測量截面流量波動量

從上表2數據中可以看出3種模型在靜壓測量截面測量出的流量波動量均小于0.1%，與目前現存的試驗器測量波動量相比，比目前所內現存的壓氣機試驗器實際測量的波動量小。

3. 結論

（1）3種不同收縮段型線的壓氣機試驗器進氣系統的出口總壓分布不均勻度、出口平均湍流度、出口平均氣流角均滿足標準規定的壓氣機試驗要求。（2）收縮段型線為維氏曲線的模型在靜壓測量截面的靜壓分布最均勻，不均勻度為2.90%切波動量也滿足要求，另外2種模型在流量管靜壓測量截面上的靜壓不均勻度均大于壓氣機試驗所需要的測量截面靜壓不均勻度小于5%的要求。（3）在航標得設計準則下，流量為3.5kg/s的試驗器選用收縮段型線為維氏曲線可能能夠獲得最好的壓氣機試驗進氣流場。