旋轉(zhuǎn)盤腔流動(dòng)特性試驗(yàn)技術(shù)方法與傳熱數(shù)值計(jì)算模型

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

現(xiàn)代化計(jì)算流體力學(xué)與數(shù)值傳熱學(xué)分析技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)評估旋轉(zhuǎn)部件的溫度分布與腔室內(nèi)部流場信息，但是在理論分析方法與計(jì)算技術(shù)的影響下，準(zhǔn)確性與可靠性依舊不足，亟待提升。因此，必須進(jìn)行旋轉(zhuǎn)盤腔流動(dòng)傳熱試驗(yàn)，基于綜合全面分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，對流動(dòng)傳熱理論分析方法與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行修正，從而保障反應(yīng)出航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的流動(dòng)傳熱特性與規(guī)律[1]。

1 旋轉(zhuǎn)部件流動(dòng)傳熱試驗(yàn)方法

1.1 流動(dòng)結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)方法

在旋轉(zhuǎn)盤腔流動(dòng)特性試驗(yàn)過程中，一般都會選擇流跡法進(jìn)行流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯示。在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)更新發(fā)展的趨勢下，高頻動(dòng)態(tài)化響應(yīng)探針、LDA、熱線風(fēng)速儀等測試方式實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，但是，熱線風(fēng)速儀與LDV所獲取的信息為流場單點(diǎn)信息，無法獲得速度場分布規(guī)律，且難以對非定?，F(xiàn)場做到全面分析。

PIV技術(shù)不僅可以獲取旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)部流場具體信息，顯示流轉(zhuǎn)系數(shù)分布狀況，還可以進(jìn)一步簡潔概述旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)部非定常現(xiàn)象。另外，PIV測試方法還具備其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，其一，獲取整場速度信息，可以同時(shí)多點(diǎn)測量，所以可獲得二維或三維速度場分布；其二，測試結(jié)果非常精確，非接觸式測量，不會對流場造成干擾；其三，應(yīng)用范圍廣泛，有機(jī)結(jié)合PIV與LCM，可實(shí)時(shí)獲取流體速度場與溫度場的相關(guān)信息[2]。

1.2 傳熱試驗(yàn)

采用測驗(yàn)旋轉(zhuǎn)盤表面溫度的方式，獲取其對流換熱規(guī)律，匯總對流換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以此為發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)與熱分析奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測量主要利用的方法有示溫片法、示溫漆法、熱電偶法，其各自特性具體如表1所示。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測溫過程中，應(yīng)充分合理利用多元化測溫方法，對于轉(zhuǎn)動(dòng)件涂采取示溫漆法測量，并以熱電偶法作為輔助。而靜止件則采用熱電偶法進(jìn)行測量，其他一些重要部件則通過示溫漆法、示溫片法、熱電偶有機(jī)結(jié)合的方法加以測量，從而確保精確度與準(zhǔn)確性。

表1 測溫方法對比分析

在旋轉(zhuǎn)盤腔試驗(yàn)過程中，一般都會利用液晶測溫法，但是液晶溫度相對偏低，測試的范圍相對有限。在溫度比較高的環(huán)境下，應(yīng)選擇紅外測溫與晶體測溫的方式[3]。

1.3 總壓降試驗(yàn)

測量旋轉(zhuǎn)盤腔的進(jìn)出口總壓，以對其壓降規(guī)律特性進(jìn)行分析。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，一般會基于氣流通道的某截面測試多點(diǎn)位置具體壓力，通過多點(diǎn)測壓管，并根據(jù)各點(diǎn)和外套管軸線分布特性，劃分為梳狀與耙狀總壓管。旋轉(zhuǎn)盤腔試驗(yàn)流場十分繁雜，漩渦比較多，流動(dòng)速度方向評估難度較大，因此利用三孔或者五孔動(dòng)力探針，直接性檢測氣流偏斜角的不敏感特性，以此大大縮減傳遞誤差，提高測量的精確性。

就旋轉(zhuǎn)流場測試來講，探針應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸比較小，便于使用，強(qiáng)度與剛度良好，可以降低對流場影響，以及機(jī)械震動(dòng)與氣流脈動(dòng)造成誤差。所以，氣流比較穩(wěn)定均衡的位置，應(yīng)利用氣流不敏感角±20°的梳狀總壓管對平均總壓值進(jìn)行檢測。而對于變化比較劇烈的區(qū)域，則利用氣流不敏感角±25°的五孔動(dòng)力探針，并且探針還應(yīng)就具體強(qiáng)度需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此確保安全與測試的精確性[4]。

2 兩相流動(dòng)與傳熱控制方程

2.1 Mixture多相流模型

Mixture多相流模型是簡化之后的多相流模型，其主要通過各相體積分?jǐn)?shù)加權(quán)求和獲得混合物質(zhì)特性參數(shù)，并求解其質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程、離散相體積分?jǐn)?shù)方程[5]。

2.1.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程表示為

(1)

式中：m、a、l為混合相、空氣相、滑油相參數(shù)，不需求和；J為x，y，z方向，求和；ρm為混合相密度，根據(jù)公式(2)計(jì)算：

ρm=φapa+φ1ρ1

(2)

式中：φa，φ1為空氣相、滑油相體積分?jǐn)?shù)，兩者之和為1。um,j表示混合相平均速度，即

um,j=(φapaua,j+φ1ρ1u1,j)/ρm

(3)

式中：φl為滑油相體積分?jǐn)?shù)控制方程，即

(4)

2.1.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程為

(5)

式中：μem為有效黏度，即

(6)

有效黏度是各相分子黏度μ與湍流黏度μt的求和，km為湍流動(dòng)能密度。相間速度差造成的擴(kuò)散應(yīng)力為

(7)

式中：Mi為表面張力，即

(8)

式中：σ為張力系數(shù)；k代表表面曲率，一般來說可以將表面張力直接忽視，所以，沒有對此項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。

離心力Fi為

Fi=-ρm(ΩkΩiXk-ΩjΩjXi)

(9)

式中：Ωk為轉(zhuǎn)軸處于k向的分量，Xi為質(zhì)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)參考系原點(diǎn)之間的間距處于i向的分量。

如果兩相流動(dòng)速度不一致，還應(yīng)獲得相對速度方程。在湍流中，Mixture模型基于代數(shù)關(guān)系獲取相間相對速度。

2.1.3 能量守恒方程

能量守恒方程如下：

(10)

(11)

式中：kt、k為n相導(dǎo)熱系數(shù)與湍流導(dǎo)熱系數(shù)。

Mixture模型只能基于主相構(gòu)建湍流方程，而次相湍流效應(yīng)以體積分?jǐn)?shù)為載體加以展現(xiàn)。湍流計(jì)算選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，代數(shù)方程數(shù)值-求解則選擇景點(diǎn)SIMPLE算法，流體和固體傳熱實(shí)現(xiàn)耦合求解。

2.2 Eulerian多相流模型

Eulerian多相流模型需對各相守恒方程進(jìn)行求解，在相之間并未轉(zhuǎn)換，沒有質(zhì)量源，且忽視相之間的虛擬質(zhì)量力與升力等等，求解守恒方程。

2.2.1 質(zhì)量守恒方程

就n相而言， 質(zhì)量守恒方程為

(12)

2.2.2 動(dòng)量守恒方程

就n相而言，動(dòng)量守恒方程為

(13)

相間交換系數(shù)為

(14)

拖拽力為

(15)

離心力為

Fi=-φnρn(ΩkΩiXk-ΩjΩjXi)

(16)

2.2.3 能量守恒方程

就n相而言，能量守恒方程為

相間熱交換密度為

(18)

式中：ka代表空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

Eulerian多相流模型湍流問題處置過程中，把兩相參數(shù)加權(quán)平均之后，獲得混合參數(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程進(jìn)行湍流計(jì)算。內(nèi)部是單相流腔體的時(shí)候，計(jì)算依舊利用數(shù)學(xué)模型，但是設(shè)置滑油相體積分?jǐn)?shù)為0[6]。

3 關(guān)鍵性技術(shù)

3.1 降低轉(zhuǎn)動(dòng)部件震動(dòng)，防止發(fā)生共振

對于旋轉(zhuǎn)換熱試驗(yàn)臺有三種主要方式，其一，試驗(yàn)臺外部殼體以鑄造結(jié)構(gòu)為載體，而臺架則選用加寬的板材進(jìn)行焊接，以減小震動(dòng)對于試驗(yàn)臺造成的影響；其二，對轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而改變臨界轉(zhuǎn)速，把其調(diào)整到試驗(yàn)范圍外；其三，驅(qū)動(dòng)軸的兩側(cè)利用柔性聯(lián)軸器進(jìn)行銜接，從而保障系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性。

3.2 轉(zhuǎn)靜密封處理

在旋轉(zhuǎn)盤腔試驗(yàn)過程中，氣體通過盤腔流動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件密封則發(fā)展成了流動(dòng)換熱試驗(yàn)的主要影響因素。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，主要采取四種密封方法，即篦齒密封、刷式密封、石墨密封、膜密封。而應(yīng)根據(jù)工作環(huán)境與工況條件，進(jìn)行密封方式科學(xué)合理選擇，高溫狀態(tài)下，摩擦的潤滑條件會逐漸惡化，極有可能導(dǎo)致密封件的材料發(fā)生變質(zhì)，或?qū)е履Σ粮杯h(huán)發(fā)生巨大形變，對密封效果造成直接性影響，因此應(yīng)充分考慮密封冷卻。在密封線速超出25～30 m/s的狀況下，為高速密封狀態(tài)，需要進(jìn)行潤滑與冷卻，避免摩擦熱量、離心力、振動(dòng)等直接性影響，縮短密封件的檢測磨損周期，確保旋轉(zhuǎn)密封足夠科學(xué)有效。

3.3 旋轉(zhuǎn)信號精確傳輸

旋轉(zhuǎn)盤腔試驗(yàn)的重要前提為旋信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，就溫度信號與壓力信號而言，都應(yīng)基于旋轉(zhuǎn)部件牽引到靜止數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中去，主要方式為滑環(huán)引電器測試方法、無線電遙測、光學(xué)遙測系統(tǒng)[7]。

4 結(jié) 論

綜上所述，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)盤腔流動(dòng)換熱試驗(yàn)發(fā)揮著重要作用，其是設(shè)計(jì)驗(yàn)證的關(guān)鍵性技術(shù)方法，在現(xiàn)代化信息化技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，特別是先進(jìn)測試技術(shù)的發(fā)展，勢必會對旋轉(zhuǎn)盤腔試驗(yàn)帶來良好機(jī)遇。本文中旋轉(zhuǎn)部件試驗(yàn)主要是采用多元化測試方法獲取腔內(nèi)流場和盤溫度場，以此得到旋轉(zhuǎn)腔流動(dòng)阻力系數(shù)和盤面對流換熱系數(shù)之間的關(guān)系，從而為航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)和熱分析提供有力依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，還根據(jù)工程實(shí)踐對旋轉(zhuǎn)盤腔試驗(yàn)的測試方法做了全面探索分析，為旋轉(zhuǎn)部件流動(dòng)換熱進(jìn)行試驗(yàn)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。