粒子分離器復雜熱氣防冰問題的網格劃分研究

徐弘歷

（中國航發湖南航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

直升機在沙漠、沿海等惡劣環境中起飛和降落時，發動機一旦吸入大量的沙土、灰塵和水滴，將會對壓氣機和渦輪等轉子葉片造成損傷，堵塞空氣系統流路，降低發動機壽命，嚴重時引發飛行事故。因此，在渦軸發動機進口前安裝粒子分離器來減少雜質的吸入是十分必要的。

整體式粒子分離器因其結構緊湊、維護性好和砂塵分離性能好，在全世界眾多渦軸發動機上使用，如美國GE 公司T700 和T800 系列渦軸發動機。整體式粒子分離器利用壁面反彈原理來合理配置鼓包和外壁曲面形狀來達到清除砂粒作用。含砂氣流在流經鼓包時，因鼓包壁面較大曲率的駝峰狀變化，氣流偏轉較大，砂粒在離心力作用下甩向外壁，最終依靠慣性進入清除流道。整體式粒子分離器根據進口段是否安裝有帶預旋角度的葉片，分為預旋式和無旋式兩種類型。預旋式粒子分離器進口段安裝了帶預旋角度的葉片，可一定程度增加含砂粒氣流的切向速度，提高了砂粒甩到外壁面所需的離心力。而無旋式粒子分離器主要依靠流道型面的優化配置來達到較高的砂粒分離效率，并且結構簡單、重量小以及成本低等優點，應用和研究價值比較廣泛。

國內外對整體式粒子分離器開展了大量研究，主要圍繞優化壁面形狀來提高分離效率和粒子壁面的反彈特性兩方面[1-3]。但整體式粒子分離器除砂塵分離性能外，其進氣防冰功能也是重要考核指標，直接影響發動機高原、高寒和其他結冰環境適應能力。目前粒子分離器防冰方法趨于成熟，但大多是以試驗為研究手段。STIEFEL[4]對T800 渦軸發動機的進氣支板積冰現象進行了大量試驗研究。楊軍等[5]對某發動機進口支板進行防冰試驗表明內部流通熱氣能有效防止進氣結冰。試驗存在周期長和費用高的缺點，并且較少的試驗數據也很難指導防冰方案論證和優化設計。而數值模擬技術飛躍發展，張敏等[6]數值研究整體式粒子分離器進口支板的積冰特性，表明99.4%的過冷水滴進入清除流道，但主流道進口支板有明顯結冰。

綜上所述，鮮有人對粒子分離器的防冰能力進行較為精確的數值模擬研究。著手采用數值模擬研究粒子分離器防冰能力的難點，在于其本身內部結構復雜性、邊界多樣以及流動換熱問題耦合情況，往往很多學者在復雜網格劃分方面就已止步，采用極簡邊界處理。因此本文通過深入剖析某型無旋式粒子分離器功能結構特點，提出了多氣路分區和高效拓撲相結合的方法，對精確化防冰數值模擬中高質量網格劃分有一定指導意義。

1 研究對象

研究對象為如圖1 所示的粒子分離器，流道呈彎曲分叉型式。進氣通道周向對稱設置5 個NACA 對稱葉型葉片，為進氣流葉片，葉片內部采用迂回復雜氣腔設計，連通進氣機匣環壁面集氣腔，對進口氣流起不到預旋作用；主氣流通道5 個中空NACA 葉型厚支板；清除通道設置12 個大刀型整流葉片，與主氣流支板非均勻周向布置；雨水臺階處存在周向均布通氣孔。

圖1 整體式粒子分離器基本構型及氣路圖

防冰熱氣來源于壓氣機壓縮氣體，高溫引氣從進氣機匣外側孔進入并充滿防冰集氣腔；在從內側壁面開口進入進氣流葉片前緣，該前緣是最有可能結冰區域，需要重點防護。由前緣進入鼓包內部的熱氣又分兩路最終進入流道，一部分在進氣流葉片中迂回流動，保證葉身與熱氣充分換熱，最后經尾緣方形口流出，其余部分在鼓包內的空腔中堆積，通過雨水臺階處細小通氣孔冒出。

2 網格劃分

由于粒子分離器結構復雜，同時滿足氣路采用結構化網格來保證后續熱分析數值模擬精度的要求，網格劃分包含氣路和固體兩個部分，擬定采用精細分區方法。結合區域的材料和功能等不同，氣路區域分為進氣流葉片+環向集氣腔+鼓包前部、進氣流前通道、進氣流后通道+細小通氣孔+鼓包后部和主流+清除流，共計四個區域，分別稱為第一至第四氣路區；固體區域分進氣通道固體區域和主通道+清除通道固體區域，分別稱為第一和第二固體區。網格劃分采用ICEM 商業軟件，結構化網格質量控制在0.2 以上。

2.1 第一氣路區

第一氣路區結構較復雜，構建拓撲難度非常大，存在環腔、迂回通道和多處出入口，且連通位置存在較大弧度的倒圓角；此外該氣路區存在一處熱氣進氣口和測量孔?？傮w上該區域呈基本對稱，因此采用旋轉方式構建進氣流葉片熱氣結構拓撲以提高效率。由于存在熱氣進氣口及測量孔，分三次旋轉拓撲，旋轉角度為72°。針對非對稱結構，網格劃分通過拉伸和切除拓撲塊等方法處理。第一氣路區網格劃分拓撲結構如圖2 所示，對支板前后緣和狹小空間網格進行了加密處理。

圖2 第一氣路區拓撲結構及網格

2.2 第二氣路區

第二氣路區呈軸向對稱，流道內僅有5 個周向均布支板外廓，無其他特殊結構，因此采用周期性拓撲結構，旋轉角度為72°。第二氣路區網格劃分拓撲結構如圖3 所示，對支板前后緣網格進行了加密處理。

圖3 第二氣路區拓撲結構及網格

2.3 第三氣路區

第三氣路區呈軸向對稱，流道內僅有40 個周向均布通氣孔，無其他特殊結構，因此采用周期性拓撲結構，旋轉角度為9°，該拓撲結構包含單個小孔拓撲、進氣流后通道拓撲和鼓包后部拓撲。第三氣路區網格劃分拓撲結構如圖4 所示。

圖4 第三氣路區拓撲結構及網格

2.4 第四氣路區

第四氣路區清除流整流葉片和主流支板大小各不相同，且非周向均勻布置，需根據葉片位置及葉片形狀搭建拓撲，無法建立周期性拓撲結構，采用整體拓撲。第四氣路區網格劃分拓撲結構如圖5 所示，對支板前后緣網格進行了加密處理。

圖5 第四氣路區拓撲結構及網格

2.5 整個氣路區

根據劃分出的不同區域網格模型拼接出的粒子分離器主流通道的網格節點分布如圖6 所示，不同區域之間通過交界面連接，拼接后粒子分離器氣路區網格數量約1 500 萬，網格質量0.2 以上見表1。

圖6 整個氣路區拼接網格

表1 氣路區網格劃分方法及網格量

2.6 整個固體區

通過熱氣加熱流道和葉片的方法來防止或消除流道表面積冰，而熱氣與冷氣之間熱量交換通過葉片固體導熱實現。為后續準確模擬流道區域內溫度變化和對固體區域傳熱情況進行求解計算，在充分考慮實際模型不同區域壁厚設計基礎上，對固體區進行適當簡化。固體區曲面依然較多，厚薄不均，狹小空間多，在保證網格密度前提下，采用非結構化網格劃分，如圖7 和圖8 所示。

圖7 進氣通道固體區域網格節點分布

圖8 主通道+清除通道固體區域網格節點分布

3 結論

按照粒子分離器區域材料和功能等不同，氣路區域分為進氣流葉片+環向集氣腔+鼓包前部、進氣流前通道和進氣流后通道+細小通氣孔+鼓包后部等四個區域，固體區域分進氣通道固體區域和主通道+清除通道固體區域，該分區方法有效降低熱氣防冰結構的網格劃分難度；建立了高效拓撲，將復雜防冰問題的網格質量控制在0.2 以上。