某半直流式風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)流動(dòng)特性數(shù)值模擬研究

韓 濤

(海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，沈陽(yáng) 110034)

隨著計(jì)算流體力學(xué)(簡(jiǎn)稱CFD)方法的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)性能的提升，數(shù)值模擬成為航空領(lǐng)域研究復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題的重要手段。數(shù)值模擬方法與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比[1]，有成本低、周期短的優(yōu)勢(shì)。更重要的是，數(shù)值模擬方法具有以下幾方面試驗(yàn)方法不能實(shí)現(xiàn)的特性：(1)試驗(yàn)方法受限于傳感器以及天平等測(cè)量?jī)x器的體積和精度，能夠提取的流場(chǎng)信息較少，對(duì)于復(fù)雜模型，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可能存在氣動(dòng)干擾現(xiàn)象，不能全面獲取流場(chǎng)信息，極大的影響流場(chǎng)特性的分析和判斷，而數(shù)值模擬方法可以解析極大空間范圍的流場(chǎng)，在高性能計(jì)算集群的支持下，通過(guò)解析大規(guī)模網(wǎng)格可以獲得精細(xì)化的流動(dòng)結(jié)構(gòu)；(2)對(duì)于風(fēng)洞等試驗(yàn)設(shè)備，其測(cè)量空間有限，多數(shù)試驗(yàn)需要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行縮比，對(duì)于螺旋槳等旋轉(zhuǎn)機(jī)械模型，其縮比后不符合流動(dòng)的相似準(zhǔn)則，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)與真實(shí)數(shù)據(jù)存在偏差，而數(shù)值模擬方法不受研究對(duì)象空間尺度的限制，可以針對(duì)真實(shí)比例模型進(jìn)行研究；(3)針對(duì)內(nèi)流流場(chǎng)的研究，由于內(nèi)流流場(chǎng)具有空間大范圍封閉的特性，試驗(yàn)方法想要獲得流場(chǎng)信息，模型制作成本高，測(cè)量手段少，而數(shù)值模擬不受這些因素的限制。綜上所述，針對(duì)復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題，及其流動(dòng)特性進(jìn)行分析研究可以采用數(shù)值模擬方法。

本文針對(duì)某動(dòng)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)半直流式風(fēng)洞設(shè)備，洞體噴口出口處設(shè)置風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)。對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)段出風(fēng)氣流需要流量穩(wěn)定、均勻、低湍流度[2]?，F(xiàn)針對(duì)該風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后形成的洞體內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將獲得的噴口均勻性及湍流度信息進(jìn)行分析[3]，研究該風(fēng)洞出流流動(dòng)特性，為該風(fēng)洞設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 風(fēng)洞設(shè)計(jì)模型

本文研究對(duì)象為某半直流式風(fēng)洞[4-6]，洞體模型總長(zhǎng)3.7 m、寬30 m、高6.5 m，洞體由動(dòng)力段、拐角段、穩(wěn)定段、收縮段、噴口等部分組成[7-8]。洞體模型輪廓圖如圖 1所示。

圖1 洞體模型輪廓圖

動(dòng)力段由20個(gè)構(gòu)型相同的風(fēng)機(jī)通道并列組成，每個(gè)風(fēng)機(jī)通道構(gòu)型由收集器、風(fēng)機(jī)段、圓方過(guò)渡段、擴(kuò)散段構(gòu)成。每個(gè)風(fēng)機(jī)入口安裝收集器利于入口氣流均勻、穩(wěn)定。收集器長(zhǎng)0.2 m，入口和出口截面為圓形，直徑分別為1.4 m和1 m。風(fēng)機(jī)段長(zhǎng)0.6 m，放置直徑1 m的風(fēng)機(jī)，每個(gè)風(fēng)扇由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子有8個(gè)葉片，定子有6個(gè)葉片，各通道風(fēng)扇為同向旋轉(zhuǎn)。風(fēng)機(jī)段后為長(zhǎng)1 m的圓方過(guò)渡段，入口截面為直徑1 m的圓形，出口截面為寬/高1.1×1.1 m的矩形。圓方過(guò)渡段后為長(zhǎng)2m的擴(kuò)散段，單邊擴(kuò)散角6°，入口截面為寬/高1.1×1.1 m的矩形，出口截面為寬/高1.5×1.5 m的矩形。

拐角段管道入口和出口截面為寬/高1.5×30 m的矩形，拐角處布置10片圓弧板翼型導(dǎo)流片。

拐角段后的穩(wěn)定段為長(zhǎng)0.7 m的等值截面通道。收縮段采用二維截面收縮，收縮比為1.7。收縮段后為長(zhǎng)0.2 m的試驗(yàn)噴口，噴口截面為長(zhǎng)1 m，矩形，截面寬/高為0.9×30 m。

該風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下運(yùn)行，環(huán)境溫度為15℃，密度為1.225，黏性系數(shù)為1.79×10-5N·s/m2。按照空風(fēng)的試驗(yàn)段最大風(fēng)速40 m/s選擇風(fēng)機(jī)，所需電機(jī)功率約為2.83 MW，單通電機(jī)功率約142 kW，轉(zhuǎn)速為2 900 rpm。

2 數(shù)值模擬方法

本文針對(duì)風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究[9]，計(jì)算模型采用無(wú)縮比三維洞體模型。風(fēng)洞洞體流場(chǎng)解析定常條件下的雷諾平均Navier-Stokes方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型[10-11]，壁面方程采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)方程，無(wú)粘通量求解ROE格式[12]，時(shí)間推進(jìn)上采用雙時(shí)間方法，其中偽時(shí)間方向上采用隱式的無(wú)矩陣存儲(chǔ)LU-SGS方法[13-14]。該洞體模型在開(kāi)放式環(huán)境中運(yùn)行，環(huán)境條件采用標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)。為了模擬動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)洞體通道內(nèi)氣流流場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，采用真實(shí)風(fēng)扇葉片模型進(jìn)行數(shù)值模擬，但需對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子模型應(yīng)用混合面模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

混合面模型是針對(duì)風(fēng)扇、螺旋槳等旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械流場(chǎng)數(shù)值模擬的一種簡(jiǎn)化方法。將流場(chǎng)中做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)部件設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)域，將固定不動(dòng)的部件所在計(jì)算域設(shè)置為固定域，將轉(zhuǎn)動(dòng)域與固定域的交界面設(shè)置為“混合面”。在數(shù)值模擬計(jì)算中，轉(zhuǎn)動(dòng)域內(nèi)的轉(zhuǎn)子在周向按照葉片數(shù)劃分成數(shù)個(gè)扇形域，每個(gè)扇形域中部包含一個(gè)葉片，扇形域兩側(cè)應(yīng)用周期性邊界條件，可以將轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為單個(gè)葉片的周期性運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法進(jìn)行求解。在固定域內(nèi)求解慣性系下的Navier-Stokes方程。在“混合面”處，交界面將扇形域內(nèi)的邊界單元數(shù)據(jù)根據(jù)周期運(yùn)動(dòng)特性還原為整個(gè)轉(zhuǎn)子的邊界單元數(shù)值，并將整個(gè)轉(zhuǎn)子的邊界數(shù)據(jù)應(yīng)用反距離函數(shù)插值算法傳遞至定子域的邊界單元，從而將轉(zhuǎn)動(dòng)域與固定域聯(lián)系起來(lái)形成整體流場(chǎng)。相對(duì)于多參考系模型(MRF)[15]，混合面模型更加簡(jiǎn)化，在交界面處的插值算法更為靈活。

針對(duì)本文研究的風(fēng)洞模型，將洞體模型劃分為進(jìn)口通道、轉(zhuǎn)子和定子3個(gè)子域，轉(zhuǎn)子域內(nèi)包含做定軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)扇葉片，本文采用的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子有8個(gè)葉片，可以在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)將風(fēng)扇通道劃分為45°的扇形域，每個(gè)扇形域中部包含一個(gè)葉片，應(yīng)用周期性邊界條件可以將轉(zhuǎn)子模型簡(jiǎn)化為單獨(dú)葉片模型。在進(jìn)口通道上游延伸至遠(yuǎn)場(chǎng)邊界設(shè)置為進(jìn)口域，在定子域下游延伸至遠(yuǎn)場(chǎng)邊界設(shè)置為出口域。計(jì)算域中，進(jìn)口域、進(jìn)口通道、定子域和出口域可以采用慣性

系下的定常方法求解，在轉(zhuǎn)子域應(yīng)用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法進(jìn)行計(jì)算，則可以將轉(zhuǎn)子的非定常轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為定常運(yùn)動(dòng)，再將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的流動(dòng)信息轉(zhuǎn)化到慣性系下，那么每個(gè)子域內(nèi)的流場(chǎng)通過(guò)采用不同的坐標(biāo)系和邊界條件，都可以作為定常流場(chǎng)進(jìn)行單獨(dú)求解，不同子域之間通過(guò)混合交界面交換邊界流場(chǎng)信息，應(yīng)用混合面模型大幅降低了數(shù)值模擬計(jì)算量。

3 數(shù)值模擬模型及網(wǎng)格處理

本文數(shù)值模擬采用的半直流風(fēng)洞洞體模型如圖 2所示。風(fēng)洞在開(kāi)放式環(huán)境中運(yùn)行，故數(shù)值模擬在收集器及噴口外設(shè)置遠(yuǎn)場(chǎng)邊界，建立的計(jì)算域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)格分布如圖 3所示，計(jì)算域細(xì)分為進(jìn)口遠(yuǎn)場(chǎng)域、動(dòng)力段、后洞體域和出口遠(yuǎn)場(chǎng)域，其中后洞體域包含拐角段、穩(wěn)定段、收縮段和噴口。洞體模型表面網(wǎng)格分布如圖4所示。

圖2 風(fēng)洞洞體模型

圖3 洞體模型計(jì)算域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)格分布

圖4 洞體模型表面網(wǎng)格

動(dòng)力段由并列的20個(gè)相同的單通風(fēng)機(jī)構(gòu)型組成，為了保證每個(gè)單通風(fēng)機(jī)構(gòu)型網(wǎng)格分布的一致性，將每個(gè)單通風(fēng)機(jī)構(gòu)型單獨(dú)劃分成一個(gè)子域，20個(gè)子域分別與進(jìn)口遠(yuǎn)場(chǎng)域和后洞體域連接，在網(wǎng)格生成時(shí)將單通風(fēng)機(jī)構(gòu)型網(wǎng)格復(fù)制到各子域，單個(gè)單通風(fēng)機(jī)構(gòu)型拓?fù)浼熬W(wǎng)格分布如圖 5所示。

圖5 單通風(fēng)機(jī)構(gòu)型拓?fù)浼熬W(wǎng)格分布

單通風(fēng)機(jī)構(gòu)型拓?fù)鋭t分為風(fēng)機(jī)進(jìn)口域、轉(zhuǎn)子域和定子域，轉(zhuǎn)子域包含風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，網(wǎng)格分布如圖 6所示；定子域包含風(fēng)扇定子、圓方過(guò)渡段和擴(kuò)散段，進(jìn)口域和轉(zhuǎn)子域的交界面、轉(zhuǎn)子域和定子域的交界面分別設(shè)置混合面模型，混合面網(wǎng)格分布如圖 7所示。

4 流場(chǎng)分析

本文風(fēng)洞模型采用的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2 900 rpm，數(shù)值模擬采用的慣性坐標(biāo)系定義為風(fēng)機(jī)各通道沿y方向排列，風(fēng)機(jī)通道軸線沿z方向，風(fēng)機(jī)葉片繞-z軸旋轉(zhuǎn)。

圖6 轉(zhuǎn)子網(wǎng)格分布

圖7 混合面模型

風(fēng)洞穩(wěn)定工作狀態(tài)下，遠(yuǎn)場(chǎng)靜止氣流在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)情況下由收集器進(jìn)入20個(gè)風(fēng)機(jī)通道，由單獨(dú)風(fēng)機(jī)通道流出匯入下方聯(lián)通的拐角段，經(jīng)過(guò)拐角段導(dǎo)流片導(dǎo)流，氣流方向由-z轉(zhuǎn)為+x，再經(jīng)過(guò)收縮段，由噴口流出。風(fēng)機(jī)通道按照中軸線位置y軸坐標(biāo)絕對(duì)值增大的順序依次編號(hào)為通道1～20。

4.1 質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)結(jié)果

數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)單獨(dú)風(fēng)機(jī)通道的質(zhì)量流量收斂過(guò)程，其中進(jìn)口質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)面為風(fēng)機(jī)通道頂部入口面，出口質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)面為風(fēng)機(jī)通道底面與下方總出口的交界面。根據(jù)各通道質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)平均值繪制各通道進(jìn)出口質(zhì)量流量分布曲線，如圖8所示。由圖8可知，通道1～11進(jìn)氣量基本一致，通道19、20與通道1～11相差不大，通道12～18進(jìn)氣量偏低。各通道下方出口流量與進(jìn)口流量有一定差距，由此可知，在下部區(qū)域各風(fēng)機(jī)通道之間的流動(dòng)有一定相互影響，導(dǎo)致了下方氣流誘導(dǎo)摻混，這可能會(huì)增加洞體內(nèi)氣體的湍流度。

圖8 各風(fēng)機(jī)通道進(jìn)出質(zhì)量流量分布曲線

4.2 動(dòng)力段質(zhì)量流量分布特性分析

由于動(dòng)力段氣流為低速不可壓縮流動(dòng)，可以根據(jù)各風(fēng)機(jī)通道的速度分布情況分析其質(zhì)量流量的分布特性[16]。截取流場(chǎng)特征截面分析動(dòng)力段各通道速度分布情況，圖9為風(fēng)扇中軸線x軸截面速度分布情況，圖10顯示了單獨(dú)通道風(fēng)扇中軸線y軸截面速度分布情況。

圖9 風(fēng)扇中軸線x軸截面速度分布云圖

對(duì)比各通道速度分布變化情況，各通道風(fēng)扇為同向旋轉(zhuǎn)，由入口至支撐葉片處的通道內(nèi)流動(dòng)速度分布一致，而氣流流過(guò)支撐之后進(jìn)入擴(kuò)張通道則速度分布發(fā)生變化，并列的風(fēng)機(jī)通道間的流動(dòng)會(huì)相互影響。

導(dǎo)流片使氣流速度降低并轉(zhuǎn)向，氣流運(yùn)動(dòng)至出口處的速度分布不均勻。

4.3 出口氣流特性分析

每個(gè)通道吸入的氣流流經(jīng)風(fēng)扇，軸向速度增加，且隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)增加了周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)通道形成單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)渦尾跡，并列的20個(gè)通道出口氣流匯入下方拐角段，氣流在聯(lián)通的洞體內(nèi)摻混，并經(jīng)過(guò)拐角導(dǎo)流運(yùn)動(dòng)到出口處。圖11為風(fēng)洞噴口出口位置的速度分布云圖。由圖11可知，風(fēng)機(jī)各通道吸入的氣體經(jīng)過(guò)氣流自主誘導(dǎo)摻混以及導(dǎo)流片整流后，氣流摻混不充分，氣流速度分布不均勻，且明顯保留著單通道渦形態(tài)。

圖10 單獨(dú)通道中軸線y截面速度分布云圖

圖11 出口速度分布云圖

4.4 風(fēng)機(jī)吸氣特性分析

應(yīng)用流動(dòng)跡線分析風(fēng)機(jī)吸入的氣流空間來(lái)源，選取通道入口所在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，沿坐標(biāo)軸方向截取遠(yuǎn)場(chǎng)面做流動(dòng)跡線，如圖12所示。

由圖12可知，吸入氣流的流動(dòng)速度較低。-x方向大部分氣流均勻流入相對(duì)位置的通道內(nèi)，其中兩側(cè)4個(gè)通道及中間4個(gè)通道進(jìn)氣量較少；而x方向少部分氣流流入中間部分的通道9～12，兩側(cè)剩余通道進(jìn)氣量較少。-y方向氣流流入-y方向上部分通道，其中通道1進(jìn)氣量最大，通道2～6依次遞減，其余通道基本無(wú)-y方向氣流進(jìn)入；y方向氣流流動(dòng)形態(tài)與-y方向流動(dòng)基本對(duì)稱，通道20進(jìn)氣量最大，通道19～14依次遞減，其余通道基本無(wú)y方向氣流進(jìn)入。以通道入口平面為基準(zhǔn)，z方向位于通道上方的氣流大部分由風(fēng)機(jī)卷吸進(jìn)入中間位置的通道5～15，兩側(cè)通道進(jìn)氣量較少；z方向位于通道下方的氣流會(huì)被風(fēng)機(jī)卷吸進(jìn)入通道，各通道均進(jìn)氣量較小。

圖12 沿坐標(biāo)軸方向上游氣流流動(dòng)跡線分布圖

4.5 風(fēng)機(jī)吹氣特性分析

根據(jù)風(fēng)機(jī)下游流動(dòng)跡線分布情況分析風(fēng)洞洞體模型的吹氣特性，如圖 13所示。由圖13可知，動(dòng)力段各通道出口流動(dòng)速度分布不均勻，且方向不一致。其中，中間位置的通道在導(dǎo)流片前方位置流動(dòng)速度較低，且有漩渦。氣流通過(guò)導(dǎo)流片減速后，仍保持其旋轉(zhuǎn)特性。

圖13 風(fēng)機(jī)下游流動(dòng)跡線分布圖

綜上所述，半直流式風(fēng)洞動(dòng)力段流場(chǎng)特性數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用混合面模型可以反映出流場(chǎng)的基本特性，氣流由該風(fēng)洞動(dòng)力段上游空間不同位置吸入各通道，通過(guò)風(fēng)機(jī)加速后流入拐角段使氣流轉(zhuǎn)向，在收縮段和穩(wěn)定段氣流發(fā)生摻混，各通道氣流相互影響，導(dǎo)致出口氣流速度分布保持了一定的單通道氣流旋轉(zhuǎn)特性，并使氣流跡線在下游遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生周向旋轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

分析某半直流式風(fēng)洞穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 風(fēng)洞動(dòng)力段各風(fēng)機(jī)通道內(nèi)的氣流由上游空間不同位置吸入，各通道相互影響使不同風(fēng)機(jī)通道質(zhì)量流量存在一定差異；

(2) 風(fēng)洞動(dòng)力段二十個(gè)通道在收縮段和穩(wěn)定段氣流發(fā)生摻混，影響了各通道氣流流動(dòng)特性，導(dǎo)致各通道內(nèi)氣流速度分布有一定差異；

(3) 風(fēng)洞出口氣流速度分布不均勻，保持單通道氣流旋轉(zhuǎn)特性，氣流跡線在下游遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生周向旋轉(zhuǎn)；

(4) 混合面模型能夠有效簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)流場(chǎng)，適用于帶風(fēng)機(jī)模型流場(chǎng)特性的數(shù)值模擬。