高空臺進氣系統混合器穩態氣動性能研究

摘要：為揭示高空模擬試車臺進氣系統Y型混合器的氣動性能，基于Standard k-ε湍流模型，采用Fluent軟件模擬分析了壓比、流量比和高/低溫氣流溫度組合對混合器內部壓力、溫度、出口速度和壓降的影響。結果表明：混合器壓力和溫度近似對稱分布，壓力和溫度在導流柵和整流裝置截面存在較大梯度；當壓比增加時，出口溫度分布趨于均勻，出口速度和壓降逐漸減小，其中混合器出口最高和最低溫度分別出現在距離左右壁面0.2 m附近；當流量比為1.0時，混合器出口溫度分布最均勻；在試驗范圍內，進口溫度對壓降、出口速度影響較大，隨著溫度的升高，高溫氣流側引起的壓降、出口速度增量分別是低溫氣流側的60.4%和92.1%。研究結果可為高空臺進氣系統建模提供理論支撐。

關鍵詞：高空臺 Y型混合器 氣動性能 壓比 流量比 高/低溫氣流溫度組合

中圖分類號：TH136 文獻標志碼：A 文章編號：1671-8755（2025）01-0075-10

Research on the Steady-state Aerodynamic Performance of the Mixer

in the Intake System of the High-altitude Platform

WU Xiangquan¹， ZHANG Jianping¹， ZHANG Song²， DAN Zhihong²，

LI Haodong¹， WANG Taojun¹

（1. School of Manufacturing Science and Engineering， Southwest University of Science

and Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China; 2. Sichuan Gas Turbine Establishment，

Aero Engine Corporation of China， Mianyang 621703， Sichuan， China）

Abstract： In order to reveal the aerodynamic performance of the Y-type mixer in the intake system of the high-altitude platform， based on the standard k-ε turbulence model， Fluent software was used to simulate and analyze the effects of pressure ratio， flow ratio， and temperature combination of hot and cold airflow on the internal pressure， temperature， outlet-velocity and pressure drop of the Y-type mixer. The results show that the pressure and temperature of the mixer are symmetrically distributed， and the large gradients of pressure and temperature occur at the baffle and rectifier cross-sections. When the pressure ratio increases， the outlet-temperature distribution tends to be uniform， and the outlet-velocity and the pressure drop gradually decrease. The highest and lowest outlet-temperatures of the mixer occur at 0.2 m away from the left and right walls， respectively. When the flow rate ratio is 1.0， the outlet-temperature distribution of the mixer is the most uniform. Within the experimental range， the inlet temperature has a significant impact on pressure drop and outlet-velocity. With increasing temperature， the increments of the pressure drop and outlet-velocity caused by high-temperature airflow are 60.4% and 92.1% of that caused by the low-temperature airflow， respectively. The research results can provide theoretical support for modeling the air intake system of high-altitude platform.

Keywords： High-altitude platform; Y-type mixer; Aerodynamic performance; Pressure ratio; Flow ratio; Temperature combination of hot and cold airflow

高空模擬試車臺（簡稱高空臺）是一種在地面模擬航空發動機高空環境并對其進行試驗數據采集、分析的大型試驗設備。高空臺模擬試驗是解決航空發動機氣動熱力學問題、機械系統問題、匹配性問題及控制規律問題不可或缺的重要手段^［1-2］。高空模擬試驗需要在高空臺前艙模擬飛行狀態下的發動機進氣壓力、進氣溫度，并保證后艙的靜壓為模擬飛行高度的壓力^［3］。為達成以上條件需要通過高空臺進氣系統對相關設備進行調節。高空臺進氣系統相關設備主要包括管路、控制閥門以及混合器，其中混合器氣動性能對高空試驗艙進氣壓力和溫度有直接影響^［4-7］。

國內外許多科研人員對混合器的氣動性能進行了數值模擬研究。劉國君等^［8］結合數值仿真分析和樣機試驗得出了Y型脈動微混合器的入口流量和脈動頻率的最優值之間的對應關系。吳飛等^［9］采用基于Navier-Stokes方程組的三維流場數值仿真方法分析混合器，獲得了進氣預旋角對混合排氣系統氣動熱力性能的影響規律。艾志久等^［10］基于CFD方法模擬內置葉片型靜態混合器，得到了葉片數量及排列方式對靜態混合器混合效果的影響規律。王娟等^［11］提出了一種新的混合器入口結構和漸縮型出口結構，通過數值模擬方法驗證了新結構在出口氣流溫度均勻性以及熱混合效率等方面的提升。Ivorra等^［12］研究了一種微流體混合器，發現了混合器幾何參數和流動參數對混合時間的影響規律，對微流體裝置的優化和設計具有指導作用。裴凱凱等^［13］采用k-ε湍流模型對快速噴射混合器進行了模擬研究，揭示了混合器噴嘴噴射速度、噴嘴直管段長度、噴嘴個數和工業負荷變化對混合效果的影響規律，其模擬研究方法對氣-氣快速噴射混合器的工程開發有重要的指導意義。鮑鋒等^［14］揭示了收縮段曲線、進氣孔數目、擴張角度對摻混性能和摻混效率的影響規律。何秀華等^［15］驗證了被動式微混合器混合性能，發現雷諾數超過20可實現流體的完全混合。胡青松等^［16］ 揭示了供油時間、主閥質量等因素對混合器出口流量和氣液兩相流形成時間的影響規律。Basinskas等^［17］使用離散元法對間歇式混合器的混合效率進行數值研究，得到了粉量、葉片速度、初始加載模式和二次混合對混合程度的影響規律。馬連湘等^［18］發現了T型混合器的側管入口角度對混合性能的影響，揭示了側管入口速度與主管速度比對混合效果的影響規律。王鋒等^［19］提出了一種局部混合率計算方法，總結了進口流速與葉片轉速對混合率的影響規律。Mukherjee等^［20］基于微分變換法（DTM）和同倫擾動法（HPM）建立了Kenics型靜態混合器的數學模型，并結合數值模擬和實際實驗對混合器平均壓降、無量綱渦流速度和溫度梯度進行了驗證，發現DTM與數值方法非常吻合。

綜上所述，研究人員基于混合器結構、進氣預旋角、混合器葉片數量及排列角度、雷諾數等影響因素對混合器的混合性能及混合效率進行了模擬分析，在混合器流場、流動與混合方面已取得較多有價值的研究成果，為高空臺進氣系統混合器的研究提供了有力的理論基礎和支撐。而在高空臺模擬試驗過程中，混合器需要面臨多種試驗工況，不同工況下混合器的進出口壓比、進口流量比、進口氣流溫度組合不同。因此，結合高空臺穩態試驗工況的壓比、流量比、高/低溫氣流溫度組合分析混合器氣動性能，可為高空臺進氣控制系統建模提供理論支撐，并為混合器的相關研究提供參考。

1 數值計算模型

1.1 物理模型與網格

1.1.1 物理模型

研究對象是高空臺進氣系統的Y型混合器，其結構如圖1所示。

由圖1可以看出，混合器由主體、高溫氣流接管、低溫氣流接管、混合氣出口接管、導流柵和整流裝置6部分組成。其中導流柵由若干隔板和弧板組成，與殼體共同構成混合器流通通道，整流裝置由若干等距縱橫交錯的隔板組成?；旌掀鞴ぷ鲿r，高/低溫兩股氣流分別從兩進口進入混合器，在導流柵的作用下，高/低溫氣體形成了間隔排列的層狀分布，此時氣體具有較大的初始接觸面積，在導流柵出口截面處，高/低溫氣流開始混合，混合氣流流經整流器以削減混合過程所形成的紊流，使氣流平穩地流出混合器到達試驗艙。

1.1.2 網格劃分

為滿足模擬分析所需，在保留必要細節的基礎上，對混合器內部固定螺栓、弧板、固定底座和隔板支撐柱等結構進行適當簡化，簡化后的混合器物理模型如圖2（a）所示。為使混合器內部空氣流動更接近實際情況，使混合器進口流動充分發展，避開整流器出口紊流部分，使進口延長管徑2d（d為進口接管直徑）、出口延長管徑6D（D為出口接管直徑）的區域為整流體域，如圖2（b）所示。因整流器出口位置存在較強紊流，且相對于整個流體域而言，整流器出口后端較長一段流體域溫度和壓力變化很小，為準確描述混合器壓力和溫度變化，考慮到混合器的對稱性，取距整流器出口1D位置橫截面為檢測截面，其檢測結果的面積加權平均值作為混合器出口溫度、壓力、速度。取檢測截面與Y形徑向截面交線為檢測線，該線總長2.388 m，左右側為壁面，關于混合器出口中心軸對稱，線上的溫度和壓力可以反映混合器出口溫度和壓力變化。由于混合器模擬的介質為高/低溫空氣，故上述出口檢測截面和檢測線上的溫度分布情況可描述混合器的混合效果，其中檢測線上的溫度分布可直觀看出混合均勻度。經過初步模擬試驗發現高低溫氣流進口段和混合氣出口段流體域溫度、壓力、速度等變化較小，為方便對比，取部分混合器出口徑向截面、導流柵出口截面、整流器出口截面以及檢測線位置的溫度、壓力等數據對混合器氣動性能進行分析，具體截面及檢測線位置如圖2（c）所示。

選用非結構化網格對混合器進行網格劃分，將混合器流體域分成兩進口段、混合器段、出口段共4部分，在保證模擬計算精度的基礎上對每一部分單獨進行網格尺寸劃分，其中混合器兩進口段一出口段采用相同精度參數控制網格劃分，對于混合器段，因其流體域形狀、內部流動情況復雜，對其網格進行加密處理。

通過網格獨立性檢驗后，最終確定全局尺寸設定為200 mm，混合器部分尺寸設定為100 mm，網格節點數為1 469 463，單元數為7 742 916，最終網格如圖 3所示。

1.2 數學模型

1.2.1 基本方程

在實際試驗中，混合器的工質是空氣，因此，在模擬過程中選取流體工質為理想氣體。結合氣體狀態方程、質量守恒方程、動量守恒方程^［21］、能量方程表示空氣流動過程：

式中：p為絕對壓力，Pa；v為氣體的比體積，m³·kg^-1；R_g為氣體常數，值為0.287 06 kJ·（kg·K）^-1；T為絕對溫度，K；ρ為氣體密度kg·m^-3；u為氣體速度矢量，m·s^-1；F為單位體積氣體上的質量力，N·m^-3；E為單位質量氣體的總能量，kJ；λ為氣體的導熱系數，W·m^-1·K^-1；Q為單位質量氣體的熱源項。

1.2.2 Standard k-ε湍流模型

因混合器內部氣體動力黏度數量級較小（見表2），雷諾數與動力黏度成反比，故流動過程中雷諾數遠超2 000，需要考慮湍流影響。由于Standard k-ε 具有高精度且簡單有效的特性，適用于混合器的數值模擬，Standard k-ε模型^［22］為：

式中：μ_t為湍流黏度系數；σ_k，σ_ε為k，ε的湍流普朗特數；S_k，S_ε為用戶自定義源項；G_b為由平均速度梯度產生的湍流動能項；G_k為由浮力產生的湍流動能項；Y_M為湍流馬赫數；u為流體速度，m·s^-1； μ為流體黏度，Pa·s；C_1ε，C_2ε，C_3ε 為模型常數。各模型常數值見表1。

1.2.3 壓比、流量比和高/低溫氣流溫度組合的定義

結合高空臺模擬試驗環境條件，選用壓比、流量比、高/低溫氣流溫度組合3個因素研究其對混合器氣動性能的影響。

壓比是指混合器出口靜壓和入口靜壓的比值：

P_r=P_outlet/P_inlet（7）

式中：P_r為壓比；P_outlet為混合器出口靜壓，kPa；P_inlet為混合器入口靜壓，kPa。壓比P_r范圍0.5～0.9，具體取值見表3。

流量比是指混合器低溫氣流進口流量與高溫氣流進口流量的比值：

F_r=F_cold/F_hot（8）

式中：F_r為流量比；F_cold為混合器低溫氣流進口流量，kg·s^-1；F_hot為混合器高溫氣流進口流量，kg·s^-1。F_r范圍0.2～2.6，具體取值見表3。

高/低溫氣流溫度組合T_r是指混合器高溫氣流進口溫度與低溫氣流進口溫度的組合，其中高溫取值范圍為293.15～453.15 K，低溫取值范圍為188.15～298.15 K。

1.2.4 物性參數

模擬所需空氣的物性參數主要受溫度影響，結合高空臺實際工況，查得200 kPa條件下溫度180～460 K范圍內定壓比熱容、導熱系數、動力黏度如表2所示^［23］。從表2可以看出，定壓比熱容變化范圍較小，而導熱系數和動力黏度隨溫度變化較大，為減小模擬誤差，結合表2數據調用Fluent軟件UDF自定義函數模塊中的DEFINE_PROPERTY宏對物性參數進行定義，實現導熱系數和動力黏度隨溫度的變化。

1.2.5 邊界條件

采用ANSYS/Fluent數值模擬分析壓比、流量比、高/低溫氣流溫度組合對混合器氣動性能的影響。選用Standard k-ε湍流模型，采用Couple算法，離散格式除梯度設置選用Least Square Cell Based、壓力設置為二階以及湍流動能設置為一階迎風格式之外，其余項均設置為二階迎風格式來進行迭代求解，各項收斂殘差均設置為10^-6。工質設置為空氣，理想氣體，操作壓力設置為0 Pa。邊界條件設置如下：

（1）進口邊界：壓力進口或流量進口，參數設置詳見表3。

（2）出口邊界：壓力出口，參數設置見表3。

（3）壁面邊界：絕熱、無滑移。

表3中壓力為靜壓，通過調節進口總壓使進口靜壓達到對應值，為減小模擬誤差，在實際模擬過程中保證進口靜壓與設定值之差小于2.5 Pa，即進口壓力誤差不大于10^-5 量級。

1.3 模擬方法驗證

為了驗證簡化方案與模擬方法的正確性，基于3組某高空臺實際試驗工況對模擬方案進行正確性驗證，將實際試驗中混合器入口前端壓力、溫度儀表測試所得壓力、溫度作為混合器模擬邊界條件，對比實際試驗混合器出口流量計測得的流量與模擬分析所得混合器出口流量，結果如表4所示。

由表4可知，3組實際試驗流量與模擬試驗流量之間誤差均不高于5%，由此可知模型簡化方案與模擬方法可行。

2 結果分析

2.1 壓比的影響

2.1.1 溫度變化規律

圖 4是壓比對混合器內部溫度分布及整流器出口溫度分布的影響。從圖 4可以看出，高/低溫氣流在導流柵的引導下開始在混合器腔體內進行混合，溫度梯度迅速變小，致使導流柵出口截面處出現了溫度突變現象。在壓比為0.5～0.9之間時，當壓比減小時，混合器整流器出口檢測截面處溫度逐漸升高；在壓比一定時，總體情況是沿著檢測截面處徑向溫度逐漸增大，其中高溫氣流進口側距壁面0.2 m附近溫度最低，低溫氣流進口側距壁面0.2 m附近溫度發生了脈動，最后達到最大。此外，隨著混合器壓比的減小，整流裝置截面平均溫度逐漸降低，混合器出口溫度分布均勻度降低，其最低溫度出現在混合器整流裝置出口截面處，其原因是整流裝置截面面積小，氣流流速大，溫度降低。

2.1.2 壓力變化規律

圖 5是壓比對混合器內部壓力分布的影響。從圖 5可以看出，壓力沿出口徑向截面方向變化很小，壓力變化主要體現在出口軸向方向上，在導流柵出口截面，壓力呈中間高、兩側低的近似對稱分布，其主要原因是導流柵的導流作用使導流柵出口靠近對稱排列的兩側導流柵弧板附近的氣流速度較大，從而出現兩側壓力較低的情況；在混合器出口軸向方向上，隨著壓比的增加，等壓線向著混合器出口方向推進。此外，導流柵和整流裝置截面存在局部負壓區，整流裝置截面負壓特別明顯，其原因是整流裝置處局部速度過大，壓力降低。

2.1.3 出口速度變化規律

圖6是壓比對混合器出口檢測截面平均速度的影響。從圖 6可以看出，在壓比0.5～0.9之間，出口速度隨壓比增大而減小，但并非線性減小，其原因是壓比增大時，壓力轉化為氣流的動能減少，出口速度減小，壓力能與動能的轉化遵循能量守恒，而速度與動能之間并非線性關系，因此速度未呈現線性變化。壓比為0.9時出口速度為100.615 m/s，約為壓比0.5時的40.6%。

2.2 流量比的影響

2.2.1 溫度變化規律

圖7是流量比對混合器內部溫度分布及整流器出口溫度分布的影響。由圖7可以看出，混合器溫度分布存在一定的對稱性，在整流裝置出口截面和檢測截面，隨著流量比的增加，出口溫度逐漸降低，兩截面等溫線向低溫進口側推進。在流量比一定時，總體上沿著檢測截面處徑向溫度逐漸減小，高溫氣流進口側距壁面0.2 m附近溫度最低，低溫氣流進口側距壁面0.2～0.5 m附近溫度最高，最高溫度出現的位置隨流量比增加而向中心移動。此外，當流量比為1.0時，出口截面溫度分布最均勻，溫差范圍最小。其原因是混合器內部流道具有對稱性，使得流量比為1.0（即高/低溫氣流進口流量相等）時，混合器內兩氣體才能充分混合。

2.2.2 壓力變化規律

圖8是流量比對混合器內部壓力分布的影響。由圖 8可知，隨著流量比增加，低溫氣流進口段壓力逐漸增大，而高溫進口段變化不大。在流量比 1.8～2.6之間，導流柵出口和整流裝置截面出現局部低壓，且低壓區域隨著流量比增加而增大。其原因是在導流柵出口截面，隨著低溫側進口壓力增大，在導流柵的作用下，流向了低溫進口對側，因此低溫進口側出現局部低壓。而在整流器出口截面，可以把整流器看作節流元件，由于流通面積減小，壓力迅速減小，速度增大，而在高溫進口壓力較低溫進口側高，整流器出口壓力變化較小，因此高溫進口側的壓降更大，氣流速度較低溫側更快，從而在對應位置出現明顯的局部負壓區。

2.3 高/低溫氣流溫度組合的影響

2.3.1 溫度變化規律

圖9是高/低溫氣流溫度組合對混合器內部溫度分布及整流器出口溫度分布的影響。從圖 9可以看出，高/低溫進口氣流在導流柵的作用下分別在氣流進口方向的對側富集，隨著高/低溫氣流溫差的增大，混合器出口溫差逐漸增大。在整流器截面和檢測截面，溫度近似對稱分布，隨著高/低溫氣流溫差增大，出口溫度逐漸降低，其中右側近壁面0.2 m范圍溫度最低，左側近壁面0.2 m范圍溫度最高。在檢測線上，靠近兩端0.2 m范圍存在較大溫度變化，而靠近中心溫度變化較為均勻，其原因是氣體在流經混合器內部流道時，由于慣性的存在，高/低溫氣體分別富集在進口的對側，從而導致中間部分混合效果較好而兩側較差，因此混合器出口檢測線兩端區域溫度變化較大。除此之外，隨著單側進口溫度的增加，檢測線上溫度梯度逐漸減小。

2.3.2 壓力變化規律

圖10是高/低溫氣流溫度組合對混合器內部及整流器出口壓力的影響。從圖 10可以看出，氣流流經混合器腔體內，壓力逐漸減小。在低溫進口氣流溫度不變時，隨著高溫進口溫度的升高，混合器出口軸向截面等壓線上移，導流柵內部壓力增大，導流柵出口截面低壓區域逐漸減小。在低溫進口氣流溫度不變時，隨著高溫進口氣流溫度的升高，檢測線上總體壓力降低，其原因是溫度升高導致空氣黏度升高，使得相應位置流動阻力增加，壓降增加。此外，在溫度一定時，檢測線上從左到右壓力逐漸增加，近壁面0.2 m范圍壓力變化明顯，而接近中間部分壓力分布均勻。最大壓差出現在高/低溫氣流溫度293.15 K/298.15 K組合，其壓差值為42.078 Pa。

圖11是高/低溫氣流溫度組合對混合器進口與出口檢測截面之間平均壓降的影響。由圖11可知，隨著進口溫度升高，壓降增大，進口溫度與混合器壓降之間呈正相關，其中高/低溫氣流溫度組合 453.15 K/298.15 K壓降最大，為19 334 Pa。高/低溫氣流溫度組合293.15 K/188.15 K壓降最小，為19 226 Pa，其原因是溫度升高時空氣黏度增大，流動阻力增大，壓降隨之增加。此外，各溫度進口對壓降的影響曲線近似平行，取相鄰兩曲線之間的平均距離描述高/低溫進口對壓降影響的差異，在試驗范圍內高溫進口溫度引起的壓降增量約為低溫進口的60.4%。

2.3.3 出口速度變化規律

圖12是高/低溫氣流溫度組合對混合器出口檢測截面平均速度的影響。由圖12可知，隨著進口溫度的升高，出口速度升高，其中高/低溫氣流溫度組合453.15 K/298.15 K速度最大，為108.3 m/s。高/低溫氣流溫度組合293.15 K/188.15 K速度最小，為86.4 m/s。出口速度與溫度呈近似線性變化，其原因是隨著溫度的上升，空氣黏度增加，在進出口壓比不變的情況下，壓降增加，能量轉化為空氣的動能，因而出口速度增加。此外，各溫度進口對出口速度的影響曲線近似平行，取相鄰兩曲線之間的平均距離描述高/低溫進口對出口速度影響的差異，在試驗范圍內高溫進口引起的速度增量約為低溫進口的92.1%。

3 結論

基于Standard k-ε湍流模型，采用Fluent軟件模擬分析了壓比、流量比和高/低溫氣流溫度組合對高空臺進氣系統Y型混合器內部壓力、溫度、出口速度和壓降的影響。得到如下結論：（1）混合器流場中，溫度和壓力呈近似對稱分布，溫度分布隨高/低溫進口溫度、壓力、流量差異增大而趨于不均勻。導流柵出口截面存在較大溫度梯度，整流裝置截面存在較大壓力梯度。（2）隨著混合器壓比增加，出口溫度分布趨于均勻，最高溫度和最低溫度分別出現在左右近壁面0.2 m附近，等壓線隨壓比增加沿混合器容腔軸線方向移動，壓比越小，出口速度和壓降越大。（3）出口截面溫度隨流量比增加而升高，在流量比0.2～1.0之間，出口溫度分布趨于均勻，當流量比為1.0時分布最均勻，在流量比1.0～2.6之間，出口溫度分布均勻性逐漸降低。（4）隨著高/低溫進口溫度升高，出口溫度差異增大。整流器出口位置，壓力隨進口溫度升高而降低，在近壁面0.2 m范圍內壓力變化較大，靠近中間位置壓力變化小。出口速度和壓降隨溫度升高而增加，該增量隨溫度的增加而逐漸衰減。在試驗范圍內，高溫側溫度對出口速度的影響約為低溫側的92.1%，高溫側溫度對壓降的影響約為低溫側的60.4%。

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