郝媛慧，王鎖芳，夏子龍

（南京航空航天大學航空發(fā)動機熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點實驗室，南京210016）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機需要非常高的循環(huán)溫度來提高運行效率，因此高壓和低壓渦輪主流通道的氣體溫度是相當高的，需要二次空氣系統(tǒng)提供高壓氣流對盤腔和機匣進行冷卻、封嚴。為降低氣流在壓氣機盤徑向內(nèi)流動造成的壓力損失，常采用減渦器結(jié)構(gòu)。目前其形式多為管式、去旋噴嘴式和導流板式。其中管式減渦器流動特性簡單，易于設計，但在高轉(zhuǎn)速下存在振動、破裂的風險。Peitsch等[1]對管式減渦器的研究模型基于2種減渦管安裝方式，并與1維計算做對比，得到較好的一致性。Negulescu等[2]對去旋噴嘴式減渦器和管式減渦器旋轉(zhuǎn)腔的壓力損失特性展開了試驗和數(shù)值研究，結(jié)果表明管式減渦器流動特性簡單，易于設計，但易振動；無管式減渦器機械上優(yōu)于管式，但其流動呈非單調(diào)特性，存在瞬態(tài)遲滯響應行為。Pfitzner等[3]試驗分析了應用于BR700系列發(fā)動機上的管式、無管式減渦器設計參數(shù)對流動特性的影響。Hide等[4]對旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)源匯流場進行等溫分析，提出流動由4個區(qū)域組成，并指出流動主要由切向速度做主導。Wormley[5]在狹窄的腔體實驗中觀察到類似的流體狀態(tài)。Du等[6]對導流板式減渦器進行數(shù)值模擬，重點研究了導流板與徑向的夾角及導流板曲率變化對質(zhì)量流量與壓力損失的影響。吳麗軍等[7]研究了管長、鼓筒孔形狀及不同進口速度對管式減渦器流動損失的影響。廖乃冰等[8]數(shù)值模擬了有無導流盤引氣的盤腔內(nèi)部流場，分析了二者的速度場、壓力場。呼艷麗等[9]利用試驗方法測出帶去旋噴嘴的盤腔流動阻力，并對共轉(zhuǎn)盤內(nèi)的流場分布進行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)共轉(zhuǎn)盤內(nèi)的壓力損失受去旋效應和旋轉(zhuǎn)效應共同影響。王遠東等[10]通過試驗研究了不同工況、參數(shù)等對帶導流板的旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)部流場的影響。武亞勇[11]通過試驗和數(shù)值模擬研究對比了去旋進氣的大尺寸共轉(zhuǎn)盤內(nèi)部流場。陳陽春[12]同樣對帶去旋的轉(zhuǎn)動盤腔流動換熱進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)相同條件下對轉(zhuǎn)盤換熱效果比轉(zhuǎn)-靜盤好。張光宇等[13]對共轉(zhuǎn)盤腔徑向內(nèi)流進行了數(shù)值模擬，并分析了不同轉(zhuǎn)速下噴嘴結(jié)構(gòu)變化對盤腔流場結(jié)構(gòu)的影響。單文娟[14]對比了直管式與彎管式減渦器的流場特性，分析了90毅彎管及與轉(zhuǎn)軸成一定角度時對壓力損失的影響。而彎管出口法線與徑向之間的夾角變化對壓力損失的影響未見文獻報道。

本文基于文獻[14]提出的導流管減渦器對減渦管出口選取4種角度變化，針對共轉(zhuǎn)盤腔徑向流動展開數(shù)值模擬，獲得不同出口角度對盤腔內(nèi)流場結(jié)構(gòu)和減渦器去旋減阻性能的影響規(guī)律。

1 物理模型和計算方法

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

選取鼓筒孔入口、旋轉(zhuǎn)盤腔、導流管、主流道的腔體空間為研究區(qū)域。計算域幾何模型如圖1所示。減渦器有15根減渦管，在軸向?qū)ΨQ分布，則在周向取24毅扇形區(qū)域（即計算模型中含有1個減渦管對應4個進口）建模。為研究減渦管出口角度琢對計算結(jié)果的影響，琢分別取30毅堯60毅堯90毅。無量綱參數(shù)見表 1。所有計算模型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過改變第1層邊界層網(wǎng)格尺寸以保證壁面Y-Plus位于30～300之間。

在轉(zhuǎn)速為9380 r/min下進行網(wǎng)格獨立性驗證，如圖2所示，確定網(wǎng)格總數(shù)為150萬左右。

圖1 管式減渦器主要幾何尺寸

1.2 數(shù)值方法及驗證

采用 Fluent商用軟件，基于壓力穩(wěn)態(tài)求解器，計算域均為旋轉(zhuǎn)域，采用標準壁面函數(shù)，選取Realizable資-著模型，該模型與資-著模型相比采用了新的湍流黏度公式，著方程是從渦量擾動量均方根的精確輸運方程推導出來的，在雷諾應力上保持與真實湍流一致，在旋轉(zhuǎn)流計算中得到的結(jié)果更符合真實情況[15]。文獻 [1]的計算模型與本文類似，得出的Realizable資-著紊流模型更適合求解此類流動，且本文出發(fā)點并非是選取、分析湍流模型。

表1 無量綱參數(shù)

圖2 網(wǎng)格獨立性驗證

1.3 邊界條件

進口采用流量邊界條件，流量設置為1.248 kg/s，總溫為620 K，出口采用壓力邊界條件，靜壓設置為810.6 kPa，計算工況轉(zhuǎn)速為 7380、9380、11380 r/min。

1.4 參數(shù)定義

旋流比

式中：V茲為周向速度；棕為旋轉(zhuǎn)角速度；r為當?shù)匕霃健?/p>

旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)

式中：籽為空氣密度；滋為氣體動力黏度。

總壓損失系數(shù)

2 計算結(jié)果及分析

2.1 流場分析

在轉(zhuǎn)速為9380 r/min時、x=0截面的盤腔流線如圖3所示。圖中均為垂直紙面向外旋轉(zhuǎn)。從圖中可見，在相同轉(zhuǎn)速下，所有導流管進口處流線類似，流場大致相同，這是由于導流管出口角度變化導致下游流場結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化對上游進口流場結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響較小。進入導流管的氣流流體基本為徑向流動，未進入導流管的氣流在導流管兩側(cè)呈不同流動狀態(tài)，如圖4所示。從圖中可見，導流管左側(cè)由于進氣孔的原因氣流徑向速度較大，受到切向哥式力作用，射流切向速度增加，對盤腔內(nèi)流體造成擾動，產(chǎn)生1對方向相反的渦；導流管右側(cè)氣流徑向速度較小，以切向速度為主，并向低半徑方向發(fā)展。從圖3（a）中可見，射流直接沖擊軸，在滯止區(qū)的高壓推動作用下形成壁面流動，并在兩側(cè)出現(xiàn)大小相近的漩渦，此外在哥式力和離心力的作用下，使得徑向流動進一步受阻，從而流動方向發(fā)生顯著改變；從圖3（b）中可見，氣流受導流管約束，其流向發(fā)生偏折，仍然存在沖擊射流效應，在出口流向偏折處產(chǎn)生較大漩渦，而在另一側(cè)漩渦較小，大漩渦氣流很難突破，受到擠壓，增加了壓力損失；從圖 3（c）中可見，氣流偏折角增大，與圖 3（b）的類似，在出口流向偏折處兩側(cè)分別產(chǎn)生一大一小2個漩渦，且2個漩渦尺寸差異加大，大漩渦隨著流向發(fā)展；從圖3（d）中可見，出口氣流接近軸向，出口處漩渦消失，但氣流仍然有徑向分速度，在遠離彎管出口處會對軸有一定沖擊，并產(chǎn)生1個小回流。

圖3 x=0截面盤腔內(nèi)流線

圖4 進氣孔出口流線

4種結(jié)構(gòu)的旋流比Sr在導流管及導流管進口的分布是一致的，如圖5所示。從圖中可見，當氣流進入盤腔后，由于需要克服沿徑向向外的離心力和哥式力作功要大于轉(zhuǎn)盤對其的作功，總壓不斷減小，從進氣孔出口到導流管入口，Sr略大于1，表示該半徑處氣流的切向速度大于轉(zhuǎn)盤的切向速度，氣流對轉(zhuǎn)盤作功，在導流管中心Sr接近于1，而在壁面處由于摩擦力的作用，Sr略小于1，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)盤對氣流作功，使氣體總壓增大。在導流管出口，圖 5（a）、（b）、（c）的情況類似，Sr大于1，并且沿著軸向先增加后減小，并維持在1.2～1.3范圍內(nèi)，最后在出口附近減小至0，這一過程中總壓也在降低。圖5（d）所不同的是氣流在導流管出口后Sr仍然維持在1左右，只有局部增大，最后同樣在出口附近減小至0，利于氣流向下游流動，而總壓損失也比前3種的小。

圖5 x=0截面旋流比

2.2 流動損失分析

從進口到出口的總壓損失系數(shù)Cp用于衡量安裝該導流管的共轉(zhuǎn)盤腔的總的壓力損失。導流管出口角度分別為 0毅堯30毅堯60毅和 90毅的計算模型在旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)為 2.13×106、2.71×106和 3.28×106下的盤腔壓力損失分布如圖6所示。在3種雷諾數(shù)下，隨著導流管出口角度變化，總壓損失系數(shù)Cp所呈現(xiàn)的變化趨勢是一致的，直管式與60毅彎管式的壓力損失非常接近，30毅彎管式的壓力損失最大，而90毅彎管式的壓力損失最小。這是因為30毅彎管式導流管出口處有較大漩渦，氣流難以突破，沖擊射流損失仍然較大，再加上在出口彎管處產(chǎn)生的局部損失，二者之和比起直管對軸的沖擊射流所產(chǎn)生的壓力損失還要大，因此圖中30毅彎管式比直管式的總壓損失系數(shù)高。增大出口角度，雖然出口處仍有漩渦，但由于氣流偏折角的增大，氣流流通順暢，沖擊射流損失減小，因此60毅彎管式總壓損失系數(shù)減小，當出口角度為90毅時，氣流接近軸向，出口處的漩渦基本消失，此處的沖擊射流損失很小，因此總壓損失系數(shù)進一步減小。

由此可見，導流管出口角度在 60毅耀 90毅之間對于降低壓力損失是有優(yōu)勢的。

在所有轉(zhuǎn)速下，壓力損失隨出口角度的變化分布均存在1個最高點，此處壓力損失最大，因為該模型出口彎曲度僅為30毅，氣流偏折方向不大，但由于出口彎度使得氣流流出時不能均勻分向兩側(cè)，在主流方向一側(cè)和反方向一側(cè)分別產(chǎn)生一大一小2個漩渦，氣流受到的擾動大，流動不均勻，因而在降低對軸的射流沖擊損失上影響較小，再加上彎管處的局部損失，總的壓力損失較大，從而表現(xiàn)出該模型的壓力損失最大。表示的是出口彎管的局部損失與沖擊射流損失之和由大到小逐漸減小至小于直管射流沖擊損失的過程。

圖6 盤腔和導流管的總壓損失系數(shù)

3 結(jié)論

本文通過對不同出口角度下的管式減渦器開展數(shù)值模擬研究，得出各模型壓力損失隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）在相同轉(zhuǎn)速下，直管式與60毅彎管式減渦器降低壓力損失的效果相近，90毅彎管式降低壓力損失的效果最好，30毅彎管式降低壓力損失的效果最差。

（2）在所有轉(zhuǎn)速下，壓力損失隨出口角度的變化分布存在1個最高點，此處壓力損失最大。

（3）在所選工況下，增加轉(zhuǎn)速，總壓損失系數(shù)總體減小。