王治敏，徐讓書，趙長宇

(沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136)

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某葉柵風(fēng)洞柵前流場的分析與改進(jìn)

王治敏，徐讓書，趙長宇

(沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136)

為了探究造成葉柵風(fēng)洞柵前測點(diǎn)處流動(dòng)不穩(wěn)定性的主要原因，以某平面葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段為模型，使用數(shù)值模擬技術(shù)對葉柵實(shí)驗(yàn)器進(jìn)行全場仿真，考察影響柵前測點(diǎn)處流動(dòng)不均勻性的主要因素。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)器上部角區(qū)產(chǎn)生的嚴(yán)重的流動(dòng)分離會(huì)引起柵前測點(diǎn)來流產(chǎn)生大的偏轉(zhuǎn)，通過加裝葉片和測點(diǎn)下移的方法使得柵前測點(diǎn)處的流動(dòng)得到很大改善。

葉柵風(fēng)洞；流動(dòng)不均勻性；數(shù)值計(jì)算

在進(jìn)行平面葉柵風(fēng)洞壓氣機(jī)葉片實(shí)驗(yàn)時(shí)，柵前平均Ma是一項(xiàng)控制實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的重要參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中它的獲取是通過在側(cè)壁開設(shè)靜壓孔，以側(cè)壁柵前靜壓通過計(jì)算得到柵前等熵Ma,所以它的準(zhǔn)確性將決定試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。由于葉柵風(fēng)洞內(nèi)的參數(shù)只能通過有限的測點(diǎn)得到，柵前測點(diǎn)處流動(dòng)的不均勻性通常會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果的不精確性，所以為了探究造成柵前測點(diǎn)處流動(dòng)不穩(wěn)定的主要因素并加以改進(jìn)，通過數(shù)值模擬對試驗(yàn)段進(jìn)行全場仿真是必要的。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

采用的模型是渦輪研究院的300 mm×160 mm的低、跨、超平面葉柵風(fēng)洞，使用UG建模，經(jīng)簡化的實(shí)驗(yàn)段模型如圖1所示，葉柵的展弦比為1.768,從上到下對葉片依次編號(hào)1～8。側(cè)壁靜壓孔與葉柵相對位置如圖1所示，從上到下均勻分布31個(gè)測點(diǎn)依次編號(hào)1～31。它的工作過程是，在實(shí)驗(yàn)中通過側(cè)壁靜壓孔計(jì)算得到柵前平均等熵Ma，調(diào)節(jié)入口總壓來滿足預(yù)先設(shè)定的柵前平均等熵Ma，氣流從入口進(jìn)，經(jīng)平面葉柵通道從出口排出。本文探討的是在葉柵的安裝角分別為33°、38°、41.5°，側(cè)壁柵前平均Ma為0.75、0.868等6種工作狀態(tài)。其中葉柵安裝角41.5°，柵前平均Ma=0.868為設(shè)計(jì)工況。

圖1 實(shí)驗(yàn)段模型

1-入口；2-出口；3-側(cè)壁靜壓孔；4-葉柵；5-側(cè)壁；6-尾板

1.1 模型的簡化

為了探究柵前測點(diǎn)處流場不均勻的原因并進(jìn)行改進(jìn)，需要對大量的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，盡管對三維模型進(jìn)行了很大的簡化，但網(wǎng)格數(shù)量巨大,每一個(gè)工況的計(jì)算都需要大量的時(shí)間，故采用簡化的二維模型為研究對象。以葉柵安裝角為38°為例，簡化得到的二維模型如圖2所示。

圖2 二維模型

1.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的劃分是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，為使流場的模擬更加精確，并盡可能地提高流場空間流動(dòng)的分辨率，需對流場進(jìn)行分區(qū)處理，對于重點(diǎn)的關(guān)注區(qū)域(如葉柵流道附近流場)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，在試驗(yàn)段流場下游外部，使用簡化的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖3為試驗(yàn)器中葉柵實(shí)驗(yàn)段流道的拓?fù)鋭澐?，可以清楚地看到，在整個(gè)葉柵試驗(yàn)器流道中，每個(gè)葉片周圍都按照結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分原則被劃分成H型區(qū)域[1-2]，這將最大限度地保證每個(gè)葉片周圍都具有相同的高品質(zhì)結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格。圖4顯示出整個(gè)試驗(yàn)器流道的二維空間拓?fù)浞桨福瑘D4中關(guān)鍵流動(dòng)區(qū)域與非重要流場被分割開，這將有助于保證關(guān)鍵區(qū)域使用高密度網(wǎng)格的同時(shí)，在不重要區(qū)域使用粗大網(wǎng)格，最大限度地在“保證計(jì)算精度”和“充分利用計(jì)算機(jī)資源”之間獲得平衡[3]。

圖3 進(jìn)氣角為33°試驗(yàn)段流場H型拓?fù)浞謮K模型

圖4 進(jìn)氣角為33°二維模型流場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在對試驗(yàn)器葉片表面進(jìn)行邊界層處理時(shí)，邊界層的網(wǎng)格設(shè)置6層，底層厚度為0.1 mm。當(dāng)設(shè)置底層厚度為0.05 mm時(shí)，以計(jì)算得到的柵前平均Ma為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者僅相差2%，則認(rèn)為底層厚度0.1 mm是科學(xué)的，網(wǎng)格總量在70萬左右。圖5為葉柵流道的H型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格局部放大圖，整個(gè)葉柵通道結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量非常好。其中圖6為流場網(wǎng)格劃分的總體視圖，在葉柵試驗(yàn)件附近區(qū)域網(wǎng)格劃分最為致密，在試驗(yàn)器出口遠(yuǎn)離主流道的流場空間，網(wǎng)格劃分較為稀疏。

試驗(yàn)器進(jìn)氣角為38°和41.5°流場模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果，其對流場網(wǎng)格質(zhì)量的控制原則與進(jìn)氣角33°模型完全一致，在此不再贅述。

圖5 葉柵流道的H型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格局部放大圖

圖6 進(jìn)氣角為33°二維模型網(wǎng)格總體圖

1.3 計(jì)算方法

采用商用CFD軟件FLUENT，求解三維Reynolds時(shí)均方程。在柵前Ma為0.75和0.868時(shí)，會(huì)有激波產(chǎn)生，所以葉柵風(fēng)洞內(nèi)的流動(dòng)是跨聲速流動(dòng)。湍流模型采用Menter[4]發(fā)展的SST-Kω模型，SST-Kω是將k-ω模型在近壁區(qū)的健壯性和精確公式與k-ε模型在遠(yuǎn)場的自由流無關(guān)性有效地結(jié)合起來，對于有逆壓梯度流動(dòng)、翼型、跨聲速激波等流動(dòng)，SST-Kω更精確、更可靠，并得到了廣泛的應(yīng)用[5-10]，輸運(yùn)方程為

求解器采用基于密度的穩(wěn)態(tài)求解，為了使計(jì)算更快地收斂采用隱式求解方法，空間坐標(biāo)的微分項(xiàng)的離散方式為二階迎風(fēng)格式(Second-Order Upwind Scheme)，梯度和導(dǎo)數(shù)的計(jì)算采用基于單元的最小二乘法(Least Squares Cell Based)。對流通量采用AUSM+[11]格式，相比于Roe[12]通量差分分裂格式，AUSM+具有以下優(yōu)點(diǎn)：對于接觸和激波不連續(xù)性能夠準(zhǔn)確分辨，保持標(biāo)量的正性，在駐激波和移動(dòng)激波處無振蕩。邊界條件如表1所示，工況下0.75/33°等為柵前測點(diǎn)平均Ma=0.75，葉柵安裝角為33°，下文中工況均采用此種表示方法。

表1 邊界條件

工況總壓/kPa背壓/kPa075/33°1155694890868/33°1269496075/38°1144994750868/38°122279477075/415°1159294660868/415°123669466

2 結(jié)果分析

當(dāng)氣流到達(dá)葉柵前緣，會(huì)在前緣點(diǎn)前分成兩股，一股沿葉背向下偏移，一股沿葉盆向上偏移。對于不同的葉柵安裝角，只有柵前測點(diǎn)處來流偏轉(zhuǎn)角從側(cè)點(diǎn)1～31變化幅值小且均勻，來流才是比較均勻的。如果來流向下的偏轉(zhuǎn)角過大，會(huì)在葉背產(chǎn)生強(qiáng)烈的流動(dòng)分離和較大的渦，從而影響到下部葉片的柵前來流。如果這種影響蔓延到第3個(gè)葉柵，會(huì)使得來流攻角偏離設(shè)計(jì)工況,給實(shí)驗(yàn)的精確度帶來影響。

圖7為工況0.75/33°的柵前來流跡線圖，可以看到前2個(gè)葉片引起的流動(dòng)分離確實(shí)很嚴(yán)重，足以影響到測點(diǎn)處的流場均勻性。其中柵前偏轉(zhuǎn)角度的計(jì)算公式為

Vx和Vy是柵前測點(diǎn)的速度在x和y方向的分量，由于采用穩(wěn)態(tài)求解對于此非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象[13-16]，Vx和Vy是迭代收斂后每迭代一步獲取一個(gè)值，然后取平均值。

圖7 第1～3葉柵前跡線圖

2.1 8個(gè)葉片和10個(gè)葉片柵前流場對比

如圖8所示，在1～2葉柵間的測點(diǎn)處的偏轉(zhuǎn)角很大，2～3葉柵間的偏轉(zhuǎn)角稍有減小，但還是影響到了3～4葉柵柵前流場的均勻性。為了減輕角區(qū)產(chǎn)生的流線偏折和上部葉片流動(dòng)分離對測量葉柵的影響，在不對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行大的改動(dòng)的情況下，選擇將實(shí)驗(yàn)葉柵按照原有葉片的柵距各安裝一個(gè)葉片，以試圖改善測點(diǎn)處的柵前流場的均勻性，圖9為10個(gè)葉片和8個(gè)葉片的柵前測點(diǎn)處的偏轉(zhuǎn)角度的對比。

圖8 第1～4個(gè)葉柵前測點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角

圖9 10個(gè)葉片和8個(gè)葉片的柵前測點(diǎn)處的偏轉(zhuǎn)角對比

從圖9可以看出只有在工況0.868/41.5°下，柵前來流已經(jīng)很均勻，不需要加裝葉柵。但是同樣的葉柵安裝角柵前來流Ma=0.75時(shí)，加裝葉柵之后測點(diǎn)1～11的負(fù)偏轉(zhuǎn)角有0.5°～2°的改善。說明即使在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的葉柵安裝角如果來流速度偏低，不能使上部角區(qū)產(chǎn)生的旋渦迅速帶走減輕分離現(xiàn)象，柵前測點(diǎn)處的來流也不是均勻的。

在其它工況下，8個(gè)葉片時(shí)柵前測點(diǎn)處的偏轉(zhuǎn)角尤其是測點(diǎn)1～11處偏轉(zhuǎn)角很大，加裝葉片后通過對比可以看到測點(diǎn)處偏轉(zhuǎn)角有了很大的改善。表2為測點(diǎn)處偏轉(zhuǎn)角度的均方差。表2的偏轉(zhuǎn)角的均方差和以上對比圖表明通過加裝葉片對于改善測點(diǎn)前的柵前流場是可行的。

表2 測點(diǎn)處偏轉(zhuǎn)角度的均方差對比

工況8個(gè)葉片10個(gè)葉片075/415°26130868/415°099079075/38°340830868/38°214105075/33°2731860868/33°25515

2.2 8個(gè)葉片和測點(diǎn)整體下移一個(gè)流道柵前流場對比

從圖9可以看出在實(shí)驗(yàn)位置處測點(diǎn)1～11有

較大的氣流偏折角，測點(diǎn)11～31較為均勻。若將測點(diǎn)位置向下偏移一個(gè)流道，新的位置上的測點(diǎn)來流偏轉(zhuǎn)角應(yīng)該比較均勻。圖10為工況0.75/33°葉柵6～8的柵前跡線圖，從圖10中可以看出6～8葉柵前的流線是很均勻的，若將測點(diǎn)位置整體向下偏移一個(gè)葉片將很大程度上避開上部流動(dòng)分離的影響。

圖10 第6～8葉柵柵前跡線圖

此時(shí)以葉柵安裝角為33°、38°，柵前來流Ma為0.75、0.868，安裝角41.5°等5種工況為例，將原位置的測點(diǎn)和后移一個(gè)流道的測點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角做對比，如圖11所示。

圖11 原位置和測點(diǎn)整體下移一個(gè)流道的柵前測點(diǎn)處偏轉(zhuǎn)角對比

將上述5種工況在原位置測點(diǎn)，測點(diǎn)向下偏移一個(gè)流道，加裝葉片3種方法得到的偏轉(zhuǎn)角均方差，統(tǒng)計(jì)在表3。

表3 3種方法測點(diǎn)處偏轉(zhuǎn)角均方差對比

工況8個(gè)葉片10個(gè)葉片測點(diǎn)后移075/415°261316075/38°34083160868/38°21410511075/33°2731861650868/33°25515175

從表3的均方差的對比可以得到將測點(diǎn)整體向下偏移一個(gè)流道對于柵前流場的均勻性有了一定的改進(jìn)，但是效果不如加裝葉片明顯。從圖11的對比可以看到對于兩種葉柵安裝角下，在柵前Ma=0.75時(shí)測點(diǎn)21～31處的偏轉(zhuǎn)角稍大，此時(shí)下部角區(qū)產(chǎn)生的旋渦的影響不能忽略，但是相比于上部角區(qū)產(chǎn)生的旋渦的影響，下部旋渦的影響較小。

3 結(jié)論

(1)葉柵風(fēng)洞上部角區(qū)產(chǎn)生的大的分離，使得流線發(fā)生大的偏折，下部葉片的來流攻角變大并遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)工況，第一個(gè)葉片產(chǎn)生的偏折會(huì)影響到第3～4個(gè)葉片的柵前流場；

(2)通過在上下兩端按同樣的柵距各加裝一片葉片的方法，可以使柵前流場變得均勻；

(3)將測點(diǎn)下移可以得到比在原來測點(diǎn)處更好的結(jié)果，但是下部角區(qū)產(chǎn)生的旋渦使得下部流線向上偏移產(chǎn)生的影響不能忽略。

[1]王軍紅.考慮壓氣機(jī)葉片前后緣形狀的準(zhǔn)正交三維網(wǎng)格生成研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),1997.

[2]張輝,馬宏偉,蔣浩康.壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子三維流場計(jì)算中葉尖間隙網(wǎng)格的影響[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2006,21(1):137-143.

[3]薛倩,王占學(xué).葉輪機(jī)葉片三維網(wǎng)格生成技術(shù)的研究[C].中國航空學(xué)會(huì)動(dòng)力年會(huì),2010.

[4]MALGE A,PAWAR P.Zonal two equationk-ωturbulence models for aerodynamic flows[J].Journal of Renewable & Sustainable Energy,2015,87(2):123-867.

[5]陳四杰,單勇,張靖周,等.渦輪葉柵超聲速流場流動(dòng)特征與氣膜冷卻特性[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2013,28(11):2448-2454.

[6]佟增軍,劉沛清,段會(huì)申.二維多段翼型襟翼吹吸氣增升控制的數(shù)值模擬[C].中國力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)2009論文摘要集,2009.

[7]周宇,錢煒祺,鄧有奇,等.k-ω SST兩方程湍流模型中參數(shù)影響的初步分析[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2010,28(2):213-217.

[8]錢煒祺,周宇,鄧有奇,等.k-ω SST兩方程湍流模型參數(shù)辨識(shí)初步研究[C].中國力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)2009論文摘要集,2009.

[9]楊永,段毅,張強(qiáng).超聲速大迎角分離流中三種湍流模型的比較研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2006,24(3):371-374.

[10]黃玉娟,李曉東,陳江.湍流模型對渦輪數(shù)值模擬結(jié)果的影響[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2007,28(z1):97-100.

[11]LIOU M S.A Sequel to AUSM:AUSM +[J].Journal of Computational Physics,1996,129(2):364-382.

[12]ROE P L.Approximate Riemann solvers,parameter vectors,and difference schemes[J].Journal of Computational Physics,1997,135(81):250-258.

[13]聞學(xué),李志平,周海,等.對環(huán)形葉柵內(nèi)非定常流動(dòng)特征參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2002,17(5):561-566.

[14]侯安平,周盛.對圓柱和二維擴(kuò)壓葉柵在平面葉柵風(fēng)洞中旋渦脫落的試驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2004,22(1):101-108.

[15]陳少龍,侯安平,周盛.擴(kuò)壓式葉柵非定常分離流機(jī)理研究的頻譜分析[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2003,18(3):336-342.

[16]康達(dá).高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)建模研究[D].大連：大連海事大學(xué),2015.

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)

Analysis and improvement of flow field in front of a cascade wind tunnel

WANG Zhi-min，XU Rang-shu，ZHAO Chang-yu

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136，China)

In view of a cascade wind tunnel′s experimental section as a simulation model,the full flow filed was calculated using numerical simulation technology to explore the main reasons for causing unsteady flow at some test points which located in front of the cascades in a wind tunnel.The main factors that affected unsteady of flow at the test points were also investigated.The results show that serious flow separation in upper corner of the model causes the large deflection at the test points.Adding the blade and moving down the test points can greatly improve the flow at the test points.

cascade wind tunnel;unsteady flow;numerical simulation

2016-05-24

王治敏(1991-)，男，山東聊城人，碩士研究生，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真，E-mail:wzm5518@163.com；徐讓書(1962-)，男，浙江樂清人，教授，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真等，E-mail:xurangshu@yahoo.com。

2095-1248(2016)05-0012-06

V211.74

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.05.003