漸變反推力平面葉柵端壁流動仿真與試驗(yàn)

王 東，張佐伊，郝晟淳，汪 東，趙 展

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

反推力裝置是民用和軍用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的重要組成部分[1]，其主要功能是通過改變發(fā)動機(jī)排氣流動方向來獲得反向推力,使飛機(jī)高效可靠地減速,可以顯著縮短飛機(jī)的著陸滑跑距離，達(dá)到剎車的效果。反推力葉柵是決定反推力裝置性能的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接決定了反推力裝置的性能[2]。如何提高負(fù)荷水平的同時(shí)，降低葉柵內(nèi)的流動損失，一直是國內(nèi)外研究者追求的目標(biāo)[3]。邊界層的流動狀況決定了葉柵的氣動性能，邊界層內(nèi)低能流體在葉柵流道內(nèi)的遷移和分離在很大程度上影響著葉柵內(nèi)的二次流損失分布[4]。國外開展反推力裝置試驗(yàn)較早，國內(nèi)近年來也開始注重反推力裝置的試驗(yàn)研究工作。

本文通過以4組等厚度葉柵模型組成的漸變反推力平面葉柵作為研究對象，運(yùn)用數(shù)值仿真、流動顯示和探針測試技術(shù)等手段，探索反推力裝置平面葉柵的流動模型，研究不同彎角反推力葉柵端壁流動結(jié)構(gòu)及引起的損失機(jī)理。開展了變攻角、變馬赫數(shù)試驗(yàn)，探討葉柵流道內(nèi)附面層、渦系的產(chǎn)生和演變的過程，對詳細(xì)了解反推力裝置葉柵內(nèi)部細(xì)節(jié)流動特征具有重要意義，為研制高負(fù)荷、高效率反推力裝置提供有益借鑒。

1 反推力裝置工作原理

葉柵式反推力裝置結(jié)構(gòu)緊湊，反推力產(chǎn)生得比較平穩(wěn)[5]，其基本工作原理是在正推力狀態(tài)下，風(fēng)扇氣流從外涵噴管噴出產(chǎn)生正推力，移動外罩后移，露出葉柵，阻流門擋住發(fā)動機(jī)外涵道，使外涵氣流轉(zhuǎn)入導(dǎo)流葉片中，并沿葉柵從偏轉(zhuǎn)方向排出，從而產(chǎn)生反推力。反推力裝置有葉柵式、折流板式等多種類型[6]。葉柵式反推力裝置如圖1所示。

圖1 葉柵式反推力裝置

2 數(shù)值仿真

采用商業(yè)CFD軟件對漸變反推力平面葉柵流場進(jìn)行仿真模擬，如圖2所示。計(jì)算湍流模型為SST k-Ω 2方程模型，流固耦合傳熱中考慮輻射換熱的影響，加入輻射傳熱計(jì)算模型DO模型,采用2維流場進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所需求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及組分傳輸方程，均采用2階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，并運(yùn)用耦合顯示求解迭代計(jì)算得出。

圖2 漸變平面葉柵計(jì)算結(jié)果

采用商業(yè)CFD軟件以葉柵式反推力裝置4組葉片模型中的β1k=53°試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行幾何建模，第1組3維流場計(jì)算模型如圖3所示。計(jì)算采用的控制方程為湍流N-S方程和k-ε湍流模型，差分格式采用中心差分格式輔以矢通量分裂算法，4階Runge-Kutta法迭代求解。為了加速收斂，計(jì)算中應(yīng)用多重網(wǎng)格技術(shù)。葉片采用O型網(wǎng)格，由Numeca/AutoGrid生成，網(wǎng)格質(zhì)量較好。另3組數(shù)值計(jì)算模型建模方式與第1組相同。

圖3 第1組3維流場計(jì)算模型

將葉柵劃分成6個模塊，節(jié)點(diǎn)總數(shù)量為559650，網(wǎng)格加密后進(jìn)行邊界條件定義，計(jì)算邊界條件包括進(jìn)口邊界、出口邊界、周期性邊界和固壁邊界。在進(jìn)口邊界給定總壓、總溫、湍流黏性和氣流方向，在出口邊界給定平均壁面靜壓，壁面條件為無滑移和絕熱。從圖2中可知，尾跡高損區(qū)隨彎角減變小，當(dāng)經(jīng)過β1k=83°的葉柵模型后，隨彎角減小而增大；β1k=78°、83°葉柵模型速度特性保持較好,葉柵模型氣流偏轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)較好。

3 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)件

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

反推力葉柵流動試驗(yàn)在某高亞聲速平面葉柵試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)器是連續(xù)式常溫開口射流式平面葉柵試驗(yàn)器，試驗(yàn)段的最大風(fēng)口面積為100 mm×250 mm，葉柵進(jìn)口馬赫數(shù)Ma1≤0.95，出口馬赫數(shù)Ma2≤1.5，試驗(yàn)器及詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)見文獻(xiàn)[7]。

3.2 試驗(yàn)件

漸變反推力平面葉柵試驗(yàn)件由4組葉片和柵板組成，其中3組葉柵模型由3個葉片組成，另1組葉柵模型由2個葉片組成，且保持柵距、葉片厚度和出口構(gòu)造角相等。4組葉柵參數(shù)見表1。

表1 等厚度葉柵參數(shù)

3.3 測控系統(tǒng)與測量方法

測控系統(tǒng)由探針、位移機(jī)構(gòu)、位移控制系統(tǒng)和葉柵測量系統(tǒng)組成。葉柵測量系統(tǒng)由壓力采集模塊PSI9010、DSA3217和其它受感部等組成，其中PSI9010和DSA3217壓力測量精度為0.05%FS[8]。測量方法如圖4所示。在流場測量過程中，1—1測量截面選距前緣1倍弦長處；2—2測量截面選距后緣0.6×b×sin β2k倍弦長處，在測量過程中由伺服電機(jī)帶動探針沿測量截面移動，測點(diǎn)間距0.25 mm，采用自動對向方式測量所測位置的總壓、靜壓和氣流角度。

圖4 測量截面及數(shù)據(jù)處理方法

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

4.1 反推力平面葉柵端壁流動特性

在葉輪機(jī)械中，造成損失的原因有固壁面的摩擦、附面層內(nèi)剪應(yīng)力、主流與泄漏流的摻混、激波、二次流、尾跡以及熱傳導(dǎo)等[9-10]。油流測量顯示結(jié)果如圖5所示。在圖 5（a）、（c）、（e）、（g）、（i）中，顯示油吹干凈的區(qū)域是流動未分離區(qū)，顯示油堆積的區(qū)域是分離區(qū)[11]。通道內(nèi)主要存在的旋渦結(jié)構(gòu)有馬蹄渦、通道渦、壁面渦、角區(qū)分離渦、以及馬蹄渦的衍生渦5種形式，同時(shí)也驗(yàn)證了圖 5（b）、（d）、（f）、（h）、（j）的計(jì)算結(jié)果，其發(fā)展和演變的過程與渦輪葉柵中的流動過程相似；從圖5（b）、（d）、（f）、（h）、（j）中數(shù)值仿真結(jié)果分析，計(jì)算模型顯示均有通道渦的痕跡，位置和尺度與油流圖譜顯示的結(jié)果相近,通道渦的存在性由Herzig[12]在1954年的煙跡顯示結(jié)果中得到證明；從圖 5（g）、（h）中可見，葉片吸力面和端壁所在的角區(qū)成對出現(xiàn)的壁面渦，在同馬赫數(shù)下，隨著彎角增大，壁面渦由弱變強(qiáng)直到發(fā)散破裂；從圖 5（i）、（j）中可見，在高馬赫數(shù)條件下，油流圖譜和數(shù)值計(jì)算結(jié)果均發(fā)現(xiàn)了激波生成的跡象，且燕尾波外沖波特征明顯。

圖5 油流測量顯示結(jié)果

對于葉柵試驗(yàn)的4組模型，葉柵端壁前緣處均可見馬蹄渦、馬蹄渦壓力面分支和吸力面分支，而且在葉片前緣有明顯的油流堆積跡象，表明此處有滯止區(qū)域。葉柵表面油流圖譜表明氣體沿流向經(jīng)過馬蹄渦吸、壓力面分支后，在端壁堆積的油流層有明顯差異，意味著附面層有明顯變化，表明端壁附面層明顯變薄，在出口馬赫數(shù)為0.4～0.9的范圍內(nèi)葉柵流道內(nèi)壓力面分支附近有堆積的低能流體，這種氣體流動留下的痕跡明顯是通道渦的跡象。4組葉柵模型葉柵在一定進(jìn)氣角條件下，隨著進(jìn)口構(gòu)造角增大，從通道渦的跡象來看，通道渦在壓力面起始位置有后移的趨勢。

4.2 仿真的葉柵流動特征

葉柵流動特征仿真結(jié)果如圖6所示。從圖中可見，葉中截面葉盆內(nèi)沒有回流跡象，在y+≈5截面，葉盆內(nèi)回流跡象并不明顯，隨著流量的增加，在尾緣出現(xiàn)燕尾波的跡象，從圖 5（i）、（j）中油流測量顯示結(jié)果和仿真結(jié)果中均可發(fā)現(xiàn)明顯的燕尾波，且外沖波比較強(qiáng)。而決定葉柵內(nèi)二次流大小的因素主要有2種：壁面黏性效應(yīng)；壁面壓力梯度的大小和方向[14]。從圖中還可見，流體越靠近端壁，壁面黏性效應(yīng)越強(qiáng)；而負(fù)荷越重，壁面壓力梯度越大，流體流動越復(fù)雜。葉片負(fù)荷的增大勢必導(dǎo)致葉片吸力面附面層更易發(fā)生分離。[13]

圖6 葉柵流動特征仿真結(jié)果

4.3 漸變反推力平面葉柵試驗(yàn)測量結(jié)果

4.3.1 反推力平面葉柵速度云圖

4組葉柵模型的槽道等速線和馬赫數(shù)分布測量結(jié)果如圖 7（a）、（c）、（e）、（g）所示，y+≈5 截面的流線和壓力分布如圖 7（b）、（d）、（f）、（h）所示。測量和計(jì)算結(jié)果表明，4 組葉柵模型回流區(qū)跡象不明顯，β1k=78°、83°葉柵模型加速效果相對較好；4組葉柵模型的流道內(nèi)具有加速的流動特征，與渦輪葉柵流動特征相似。在零攻角下，彎角越大，馬蹄渦傳送低能流體變差，隨著彎角減小，吸力面局部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)且有增強(qiáng)的趨勢，壁面負(fù)壓越小，說明流體的慣性力增加（也就是流速增加），流體能夠更好地克服黏性力,但當(dāng)達(dá)到一定程度后，隨著馬赫數(shù)的增大，葉背處負(fù)壓明顯增強(qiáng)，如圖6（g）、（h）所示，波阻損失降低了葉柵的效率，表明反推力葉柵高速性能變差。

圖7 槽道測量速度顯示結(jié)果

4.3.2 反推力平面葉柵速度云圖

4組模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。圖6～8表明，氣流以零攻角方向進(jìn)入葉柵通道，由于慣性作用流體填滿葉盆，在葉盆最深處流體壓力達(dá)到最大，在葉片吸力面出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，氣流加速流出葉柵通道。隨著模型彎角增大，葉盆處壓力增加的幅度明顯增強(qiáng)，當(dāng)彎角處于β1k=78°、83°時(shí)，增速效果好于另2個模型的。流體的流速增加，在葉背處流體加速流動狀態(tài)，因而壁面壓力先減??；而后流體沿葉背折轉(zhuǎn)后，實(shí)際流通面積增加，馬蹄渦傳輸?shù)湍芰黧w增強(qiáng)，有利葉背處的壁面壓力進(jìn)一步降低，因而流體在流出葉柵通道時(shí)速度是增加的。而葉柵氣動負(fù)荷的大小可以從葉柵壓力面和吸力面的靜壓差值大小關(guān)系反映[15]。從圖8（a）中壓力面和吸力面的壓差表明，β1k=53°在馬赫數(shù)0.5狀態(tài)時(shí)，反推效果較好。

圖8 4組模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

通過葉柵試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真結(jié)果，可得以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)和數(shù)值仿真表明，反推力葉柵端壁呈現(xiàn)出3維非定常有旋的流動特征，其發(fā)展和演變的過程與渦輪葉柵中的流動過程相似，研究不僅掌握了反推力裝置葉柵模型的內(nèi)部流動規(guī)律，而且對詳細(xì)了解葉柵通道內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)流動特征具有重要意義。

（2）在反推力裝置葉柵流動值仿真方面，采用商業(yè)CFD軟件和對試驗(yàn)流場進(jìn)行計(jì)算，通過對4組模型的對比，得出與試驗(yàn)結(jié)果符合性較好的模型，對今后的反推力葉柵數(shù)值仿真工作有很好的借鑒意義。

（3）油流圖譜和PIV流場測試結(jié)果表明，4組模型流動過程中均存馬蹄渦、通道渦、壁面渦、角區(qū)分離渦、以及馬蹄渦的衍生渦等形式出現(xiàn)，在同一工況下，隨著彎角減小，流體的流動面積增大，通道渦傳送低能流體增強(qiáng)，渦系產(chǎn)生損失減小，在葉柵出口處的向前速度分量增大，但彎角減少到一定程度，葉柵高度特性變差。

（4）試驗(yàn)和仿真表明，計(jì)算和試驗(yàn)吻合度較好，對于幾何參數(shù)β1k=53°的葉柵試驗(yàn)?zāi)Ｐ停退偬匦员容^平穩(wěn)，反推力葉柵效率相對較高，高速特性變差；對于幾何參數(shù)β1k=78°、83°的葉柵試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其低速和高速特性均比較平穩(wěn)，葉柵工作比較穩(wěn)定，反推力葉柵效率相對較高。

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