大涵道比航空发动机试车台气动分析.pdf

大涵道比航空发动机试车台气动分析宋 柳董航喆(北京航天试验技术研究所北京)摘 要:对于新落成或改造的发动机室内试车台为了验证设计结果与相关标准及使用要求的符合性确认试车间内流场测点布置位置的合理性需采用 手段来模拟试车台内部流场 本文根据某型号大涵道比发动机试车台展开流场分析解析了 仿真过程和细节处理方法验证了试车台试验能力关键词:大涵道比发动机室内试车台气动仿真中图分类号:.文献标志码:./.():.:收稿日期 作者简介 宋 柳()男汉族机械设计及理论专业硕士主要从事航空航天发动机试验台建设领域相关工作 引 言航空发动机试车台作为测试航空发动机性能的重要支撑其气动性能的好坏直接影响发动机性能的评估结果 对于试车台气动流场性能的评估刘琳琳等人建立了室内试车台流场品质的评价体系于传萍等人用三维数值模拟方法预测发动机试车台的流场性能张爱民模拟了试车间内排气引射系统的气动性能刘洋等人通过流场模拟分析了天窗对试车台内部流场的影响 本文在已有研究的基础上采用 数值模拟手段对某型号大涵道比发动机试车台内流场进行分析研究为试车台的整体性能评估提供依据 试车台介绍 计算流体力学是目前对气动试验设备进行性能评估的有效方法之一 试车台的气动流场分析是通过建模、网格划分、计算仿真、结论分析同时结合以往试车台仿真及现场测试的经验验证某型号大涵道比发动机试车台的气动性能满足航空发动机试车台设计标准()等的要求试车间截面尺寸为 发动机中心线标高为 试车台架采用屋顶悬挂式因此在模型构造中并未对固定平台进行数值模拟 引射筒直径为 筒体中心线标高为 由于引射筒间没有气流流过因此在数值模拟过程中并未对其进行建模 排气塔采用直排形平面尺寸约为 塔口标高约为 在塔口处设置排气消音装置排气塔底部安装有开孔扩压器 试车台技术要求见表 大涵道比发动机试车台采用垂直进排气、一次进气、一级引射的 形气动布局方案如图 所示 在空气动力学和声学方面 形布局已被证明是业界最佳选择 垂直排气塔可将气流排气噪声自然引导至上行方向有助于降低声学解决方案的成本 从空气动力学的角度而言 垂直进气塔能表 试车台技术要求序号技术要求指标试车间最大空气流量/试车间平均流速/试车间截面尺寸引射筒直径排气塔截面尺寸 台架设计推力台架测量推力排气塔承受最高温度发动机中心标高够从离地面足够高的高度吸入清洁空气避免吸入外来杂质还有助于确保空气温度的一致性 吸入进气塔的空气经进气导流装置将垂直吸入的空气转变为水平方向降低被测发动机前端的气流畸变 在 形布局设计方案中废气向上导出这样可以确保排出的热空气不再返回试车间的进气塔 此外氮氧化物的浓度也可因高速气流而降低较高的排气塔又可帮助气流在返回周围环境时流速降低具体布局如图 所示 几何模型对流场及影响流场的关键设备进行准确建模是保证计算结果准确可靠的前提而对计算模型进行适当调整及简化可以显著提高计算效率 在对几何模型的构造过程中保留了土建墙体、进气系统、排气系统、导流片、水平消声装置及引射筒的大部分几何特征忽略对流场影响较小的试车台部件 由于开孔扩压器表面开孔数量较多不利于网格划分因.工程与试验 .图 试车台外观结构图 试车台内部三维展示此在数值计算过程中采用多孔介质边界条件对其进行等效替代 进气塔中设置垂直阵列式消音装置进气塔与试车间拐角处安装进气导流叶片导流叶片数为 片并于试车间前部设置水平消音装置 试车台三维结构如图 所示发动机及台架模型见图 图 试车台三维结构图 发动机及台架模型 网格划分本研究采用 进行网格划分采用结构化网格试车台内流场网格数量为 万 为了能够更加准确地获得整个试车台内流场流动在流场中对发动机喷口、进气道、引射筒壁面进行加密处理 在网格划分时发动机前后端进行了单独的块划分提高网格及计算精度 全部网格质量均大于 网格细节如图、图 所示图 试车台整体网格划分图 排气消音装置网格划分细节 计算模型和边界条件计算模型采用定常流流态黏性模型采用标准的 模型介质为理想空气气体的等压比热/()气体分子量为 /比热容比 空气黏性随温度变化按 定律计算 离散精度采用二阶离散格式壁面不考虑传热 试车台边界条件见表 表 试车台边界条件名称边界定义数值厂房气流入口压力入口 工艺进气道入口速度入口/排气道质量入口/排气塔出口压力出口 开孔扩压器压力阶跃模型壁厚 壁面条件壁面无滑移、绝热 结果分析 速度分析表 给出了试车台部分气动性能参数 试车台整体引射系数为 试车间截面流速为 /小于/表中参数均符合预期要求表 试车台部分气动性能参数性能参数单位数值发动机空气流量/试车台进气流量/试车台引射系数 试车间截面流速/进气塔及试车间中心对称面上速度分布云图如图 所示 气流由外界进入进气塔内经过垂直阵列消音装置气流速度增加并产生了一定的压力损失 在垂直消音装置出口处由于流动通道突然扩张产生了一定分离区但该分离区面积很小未对气流产生影响 随后气流通过拐角导流叶片由原垂直方向流动变为水平方向流动从图中可以看工程与试验 .出该导流叶片的导流效果良好 之后气流流入试车间内气流在试车间内速度分布相当均匀速度分布主要集中在/之间整体性能良好 进气塔速度分布云图及发动机前 处横截面上速度分布云图如图、图 所示图 试车台整体速度分布云图图 进气塔速度分布云图图 发动机前 处横截面上速度分布云图 温度分析试车间温度分布云图、引射筒后温度分布云图如图、图 所示 引射筒壁面温度分布较高其壁面最高温度为 左右高温区域主要集中在引射筒后部 气流流经引射筒后通过开孔扩压器排出热流冲击堵锥后呈放射状排出导致排气塔底部整体温度较高 随着热流向排气塔上方移动气流温度不断下降排气塔塔口处温度约为 低于标准要求的 图 试车间温度分布云图图 引射筒后温度分布云图 结 论()参考流速分布图有利于选择在气流均匀的位置区域布置测点有助于提高测试的可靠性()试车台进气流速为 /低于/整体引射系数为 符合引射系数 之间的要求引射筒壁面温度最高 混合气体最高温度为 低于 的设计要求本次 仿真验证了试车台气动能力试车台的试验能力满足发动机试验要求参考文献刘琳琳王毅常蕾.发动机室内试车台流场品质研究.计测技术():.于传萍史文斌李坚等.航空发动机试车台流场特性数值预测.探索 创新 交流(第 集)第七届中国航空学会青年科技论坛文集(下册):.张爱民.某新型发动机地面试车台系统设计 .湖南大学.刘洋孙乐王宏亮.液氧煤油发动机试车台内部空气流场仿真分析.导弹与航天运载技术():./.马昌王欢.航空发动机室内试车台气动流场特性研究.工程与试验():.欢迎订阅欢迎刊登广告联 系 人:孙松野联系电话:.宋 柳等:大涵道比航空发动机试车台气动分析