平行双插板测点布局对稳态周向畸变指数的影响_周伟.pdf

机械制造周伟，等平行双插板测点布局对稳态周向畸变指数的影响第一作者简介:周伟(1981)男，江苏高邮人，高级工程师，本科，研究方向为航空发动机整机试验技术。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301018平行双插板测点布局对稳态周向畸变指数的影响周伟1，刘阳2，陈杰2(1 中国航发沈阳发动机 606 研究所，辽宁 沈阳 110027;2 南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)摘要:基于对双侧弦月形平行可移动插板畸变模拟器流动的数值仿真，采用在 AIP 面上进行空间采样的方法模拟试验方案中的总压测量，研究不同周向均匀测点布局对畸变图谱捕捉能力以及稳态周向畸变指数测量结果的影响规律，获得了合适的周向均布测点数和周向非均匀改进的测点布局，得到较优的测量布局方案。关键词:进发匹配;双插板畸变模拟器;总压畸变;测点布局;数值仿真中图分类号:TP3919文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0075-05Influence of Measurement Scheme on Steady Circum Ferential DistortionIndex for Double Flat GeneratorZHOU Wei1，LIU Yang2，CHEN Jie2(1606 eserch Institute of AECC Shenyang Engine，Shenyang 110027，China;2 College of Energy and Power，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract:Based on the numerical simulation of the flow of double lunetteshaped flat distortion generator，the total pressuremeasurement was simulated by spatial sampling on AIP surface，and the influence law of different measurement scheme withuniform probes in circumferential directions on the capture ability of distortion pattern and the measurement results of steadycircumferential distortion index were studied Thus，the better measurement scheme of suitable number of probes in circumferentialdistortion and the possible arrangement of improved circumferential nonuniform measurement scheme has been abtainedKeywords:inlet engine matching;double lunette shaped flat distortion generator;total pressure distortion;measurementscheme;numerical simulation0引言随着飞机性能的不断提高及机载武器的变革，进气道与发动机匹配和相容性问题的研究需求逐渐强烈1。受风洞尺寸和飞行工况模拟机械复杂度限制，目前世界范围内只有少数战机开展了全尺寸进气道与发动机相容性研究2。一般用畸变模拟装置模拟出进气道与发动机(aerodynamic interface plane，AIP)截面的不均匀流场，安装在压缩部件或发动机前进行性能与稳定性试验。畸变模拟装置 AIP 面上畸变图谱及指数的可靠测量是关键环节之一。向上游决定了所获得畸变是否模拟了进气道出流，向下游影响了发动机真实抗畸变能力的评价。文献 3 在 AIP 沿周向等间隔布置了 12 个包含 5 个总压探头测耙的测量方案;文献 4 采用矩阵扫掠的方式进行畸变流场的参数测量。然而，测点位置和数量需考虑测量准确度、数据采集复杂度和对被测流体干扰等因素的限制5。美国 SAE 推荐标准中多种畸变测量试验采用了周向等距布置 8 支 5 点总压测耙的 40 点总压测点布局67。此种测量方案得到了广泛的采用810，我国关于航空发动机稳定性评定标准中也推荐了此方案11。工程实践和工作中采用了周向 6 支测耙、每支测耙上 5 或 6 测点的布置方案1213。俄罗斯相关指南和实践中，根据尺寸以及测量对象会采用不同的测量布局14。根据不同的研究目标、畸变流场以及可行性应该针对性地制定测点布局方案，美国旋流畸变评估方法中也提及此观点15。常用的总压畸变发生器主要有模拟网、插板及开孔插板等典型形式。其中，可移动插板通过调节插板深度连续改变发动机进口处的畸变强度，可实现畸变的在环调节，试验效率较高，被我国较多地用于抗畸变能力考核。相关单位研究或应用较多的是单侧弦月型可移动插板16，前述多数测点布局经验亦主要针对此类型。但在形成双低压区畸变、更灵活调节畸变等情况下要采用双侧平行等其他类型可移动插板模拟器17，其 AIP 面测量方案布局的经验尚少。本文采用数值模拟方法研究 AIP 面测点布局对平行双侧弦月形插板畸变指数测量结果的影响，为相关试验方案设计测点布局或测量布局影响校核的提供参考。1平行双侧弦月型插板模型简介图 1 为本文所研究插板的结构示意图。主体为一段圆型管道，管道直径为 D，在管道上下两侧分别插入一块插57机械制造周伟，等平行双插板测点布局对稳态周向畸变指数的影响板，x 轴正方向为插板 A，其相对高度用HA表示;x 负向为插板 B，其相对高度用HB表示。下文中未做特殊说明的图形中上方均为插板 A，下方均为插板 B;z 轴为管道轴线，气流方向为由 z 轴负向流向正向;插板前管道长度为 2D，管道出口与插板的轴向距离约为3325D。为了增强数值计算收敛性，在出口后接长度约为 25D 的延长通道形成计算域。图 1双插板计算模型研究中，对每侧插板相对高度 H/D 为 12%32%形成的若干双插板组合进行了仿真分析。本文取其中代表不同流动特征的3 种方案数据作为代表进行分析:1)case13 的上下插板高度分别为 1215%和 2265%;2)case33 的上下插板高度均为2265%;3)case35 分别为2265%和3149%。2数值仿真方法校验21计算条件本研究采用商用软件ANSYSCFX 对管道内流动进行三维数值模拟。由于管道内插板绕流属于内流中的钝体绕流问题，所以在非定常模拟中使用了应力混合涡模拟(SBES)。使用 ANS 模型对边界层进行求解，使用 LES 对主流区进行求解，能够更准确地求解主流区流动结构，同时保证不会有太多的计算量浪费在对边界层的精确求解中。数值计算介质为理想空气，进口给定标况下大气的总温总压，延长段出口给定静压边界条件，管壁和插板表面均设置为无滑移绝热壁面。非定常计算中对流项使用二阶迎风格式进行离散，扩散项使用有界中心差分格式进行离散，湍流模型使用一阶精度，选取非定常时间步长 t=5105s，使用 k 模型定常计算的结果作为非定常计算的初场。为了保证非定常计算中瞬态流动数据统计的准确性，在计算至少经过 15T 时间后再开始对流场进行时均和瞬态流动数据的统计。瞬态数据统计时间10T，其中 T=L/v 为流场通过时间，L 为管道轴向长度，v 为管道进口平均流速。为了降低网格划分的工作量，对不同插板高度分别划分了半管道的结构化网格，通过拼接组合实现了任一双插板组合模型的计算。图 2 为半管道网格，其中管道内部使用碟形网格划分，环绕插板位置使用 C 网格包围，对插板表面网格进行附面层加密处理。上游进口管道部分流动参数变化较为平缓，使用了略稀疏的网格。为了更加准确地捕捉插板下游流场结构，对插板下游网格进行了加密处理，全管道的网格量约为 800 万。图 2半管道网格划分22稳态畸变指数计算方法验证航空发动机进发相容性考核中经常用作表示总压的稳态畸变程度的参数是稳态周向畸变指数 0=10/av。其中，av为测量面平均总压恢复系数，0为低压区平均总压恢复系数。在实际使用时，特别是实验研究中，仅能获取有限空间离散点上的总压，需要基于空间上较少测点数据拟合插值处理后再进行低压区划分以及各总压恢复系数的计算。虽然流动的三维数值模拟直接获得了足够密度空间数据，但为了研究试验中实际测点布局对所得畸变指数影响，本文采用对应试验测点的空间采样方案从计算结果中提取了离散点(径向 5 点，每环周向 472 点)上的总压值，并用与试验相同的方法进行数据处理。为了验证离散点数据处理方法及程序的有效性，将每环 72 个空间采样点计算得到的数据与数值仿真完整数据直接后处理得到的结果进行对比，表 1 为不同模型在不同工况下的对比数据。可以看到通过提取空间离散点数据计算得到的面平均总压和低压区平均总压与数值仿真完整数据面积加权平均得到的结果偏差不超过015%，能够准确地计算出截面的稳态畸变指数。表 1总压数据对比模型折合流量/(kg/s)面平均总压低压区平均总压完整数据/Pa离散点/Pa偏差/%完整数据/Pa离散点/Pa偏差/%131051791 945992 0467011087 084087 04490045756597 149197 1963004995 203395 20780005457999 922199 9409001999 289699 2936000433900288 663488 7467009485 026185 02670001764492 567792 6377007690 210690 22800019452198 425098 4497002597 694397 7038001035904578 640478 7691016471 928571 90720030756785 100085 1901010680 366580 34900022461795 181295 2120003293 464393 4547001067机械制造周伟，等平行双插板测点布局对稳态周向畸变指数的影响23数值仿真与试验结果的对比如引言所述，现有工作多针对单插板式畸变模拟器(图 1 中HA=0 时，调节HB)，本文根据公开文献中单插板式畸变装置的试验结果对所采用的数值模拟方法进行了校验。选取发动折合转速为 90%的 3 个工况点，分别建立了插板相对高度为 364%、276%和 199%的几何模型，计算设置与双插板相同。通过出口静压的调整实现仿真与试验的折合流量相近，最大误差为 09%，保证了对比工况的一致性。试验和数值仿真所得的畸变指数对比见表 2，仿真预测的畸变强度及范围变化趋势与试验结果一致，而且对0/av预测的误差在 6%以内，SBES 方法进行非定常计算在不同模型中预测的低压区范围角与试验结果差值均为 10左右，可以认为研究使用的网格划分方法和计算设置能够对畸变指数进行较好的预测。表 2单插板畸变指数对比插板相对高度/%方法折合流量/(kg/s)0/av低压区范围/()364试验86130892 51737SBES86550941 81835276试验93200946 81625SBES92370961 11708199试验98180969 91520SBES97450978 416153周向测点数对稳态畸变指数的影响在实际的发动机畸变实验中，布置过多的测点会造成通道堵塞，影响流场分布;但是，布置的测点数量过少又无法准确计算畸变指数。所以，分析不同测点数量对畸变指数的影响规律有助于在设计实验装置时，指导测点的布置。本节内容研