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等截面环形引射器流场研究

2022-03-22涂宁熊荆江何鹏江睿

科技研究·理论版 2022年5期
关键词:航空发动机数值模拟

涂宁 熊荆江 何鹏 江睿

摘  要: 本文利用CFD软件对等截面超声速环形引射器进行数值模拟,求解了引射器的流场。结果表明在保持环形引射器结构参数、几何参数以及 其他边界条件不变时,入口总压与引射器盲腔压强的比值基本上保持不变,想要得到较低的盲腔压强,可以在保持引射器正常启动的条件下,尽可能地 降低入口总压。

关键词: 高空模拟试车台;引射器;数值模拟;航空发动机

中图分类号:V233.1+2  文献标识码:A

引言

航空发动机高空模拟试车台(简称高空台) 是在地面上模拟飞机整个 飞行包线范围内的各种飞行状态,对发动机及其部件进行试验的大型试验 设备。高空台在国防工业中,尤其在航空发动机发展中所起的作用是巨大的[1]。而在航空发动机的高空模拟实验中,需要模拟发动机尾喷口的排气 环境压力。为了模拟发动机尾喷口在高空工作时的负压(真空度)条件, 我们一般采用抽气机抽气或引射器引气这两种设计方案。引射器引气,引 射器具有结构简单可靠,无转动部件、体积小、反应快速、机动灵运转费 用低廉、操作维修方便以及对被抽介质无严格要求等特点。随着计算机 技术的发展和对计算方法的深入研究,计算流体力学( CFD )技术已经广 泛应用于引射器内流场的研究, CFD技术克服了理论分析和实验研究两者 的缺点成为研究引射器复杂内流场一种重要的研究手段和途径,它不仅能 给出设备内大致的流场结构,而且能提供一些实验不能或者很难测定的信 息。采用CFD技术分析研究引射器的流场结构,深入分析引射器性能的影 响因素和规律,给引射器工程設计提供必要的指导[2]。

1 物理模型和数值方法

引射器虽然结构简单,但是其内部流场十分复杂,因为湍流造成了 两种流体间的剪切、卷吸作用以及混合过程中边界层与避面、压力面间复 杂的相互作用。再加上粘黏性干扰、分离涡、真实气体效应等物理现象, 使得这一过程更加复杂,更加造成一般气体动力学理论解释的困难。因此 做以下假设:( 1 )不考虑水蒸气的冷凝。( 2 )超声速环形引射器中的气 体流动为等熵流动;( 3 )不计壁面摩擦,也不考虑热量损失;( 3 )在 混合段和扩压段,引射流与被引射流的物理参数是均匀的;本文选取的是 RNGk-ε模型,此模型与k-ε模型十分相似,但相比于k-ε模型进行了许多改 进,因此在更广泛的流动中较k-ε模型可信度与精度更高,所以在进行超声 速环形引射器流场计算时,选择使用RNGk-ε模型。

1.2  数值方法

在本文中,将利用时间相关法求解二维构型的超声速环形引射器流 场,数值求解时,采用二阶迎风格式对连续方程、动量方程、和能量方程 进行耦合求解,这种求解方法对于超声速环形引射器内部的流场结构捕 捉起着至关重要的作用,然后再求解湍流运输方程,时间上采用显示的 Runge-Kutta方法进行迭代推进,直至流场收敛。

1.3  边界条件

超声速环形引射器喷管入口处采用压力边界条件,总压为1.2MPa,入 口总温为600K不变,被引射流入口采用质量流量边界条件,流量为1.2kg/s, 亚音速扩压器出口处采用压力边界,出口压力为标准大气压

2 流场分析

从图2  (喷管入口总压为0.6MPa是马赫数分布图)和图3  (喷管入口总 压为0.6MPa是压力分布图) 可以看出来引射器管道内存在着复杂的波系结 构,隐射气流在喷管喉道附近马赫数达到1 ,即声速,过喷管喉道后继续 向前膨胀,马赫数继续增加达到超声速,在喷管出口附近将达到最大值, 从喷管出来的气流在混合式前端进一步膨胀,因为混合室的截面积大于喷 管出口截面面积,压强也随之降低,然后气流在中心轴线上发生碰撞,形 成第一道反射斜激波,接着该激波射向在引射器内壁面上,再次形成一道 反射激波,由于激波附面层的干扰,引起了壁面附面层分离,这些波系在 引射器内部来回反射形成多道波系,也正是因为这些波系使气流达到了减速增压的效果。

图4 、5 、6为保持其他边界条件不变时入口总压为0.3 、0.6 、0.8MPa 的压力等值线图,从图中可以清晰地看出,随着总压的降低,正激波慢慢 由亚音速扩压器出口附近向引射器前端靠近, 当总压降低至0.4MPa时, 亚 声速区已经处在引射器的中间位置,如果继续降低入口总压,则会导致引 射器启动失败,如图7所示管道内是亚音速流场,由此可知该引射器的启 动压强应该在0.4MPa附近。从表1中可以看出,在保持环形引射器结构参 数、几何参数以及其他边界条件不变时,入口总压与引射器盲腔压强的比 值基本上保持不变,想要得到较低的盲腔压强,可以在保持引射器正常启 动的条件下,尽可能地降低入口总压。

3 结论及待研究的问题

( 1 )在保持环形引射器结构参数、几何参数以及其他边界条件不变 时,入口总压与引射器盲腔压强的比值基本上保持不变。( 2 )想要得到 较低的盲腔压强,可以在保持引射器正常启动的条件下,尽可能地降低入 口总压。( 3 )本文只是对环形引射器流场进行了一个初步的研究,还有 很多因素未考虑进来,如壁面摩擦、换热、空气的冷凝、不同的结构形式 等等。

参考文献:

[1]张玉金,我国航空发动机高空模拟试车台的发展[J].航空科学技术,1999 (03).

[2]张飞,王志浩,张秀玲,高空模拟试车台等截面式环形蒸汽引射器零二次流 流场数值模拟[A].桂林航天工业高等专科学校学报,2008,50(02).

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