波轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)分析 劉火星.doc

中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì) 熱機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文 編號(hào)：092051波轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)分析劉火星 姜冬玲 鄒正平（北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）（Tel：01082316418 Email：）摘要：為進(jìn)一步了解波轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，本文利用數(shù)值方法分析了徑流與軸流波轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)，得出以下結(jié)論：模擬的流場(chǎng)特征與設(shè)計(jì)要求相符，計(jì)算結(jié)果充分顯示了波轉(zhuǎn)子內(nèi)不同能量密度的氣體實(shí)現(xiàn)能量交換的過(guò)程，同時(shí)也顯示了端口非瞬時(shí)開放等非定常過(guò)程的影響。關(guān)鍵詞：波轉(zhuǎn)子 數(shù)值模擬 激波0 前言目前，要提高現(xiàn)有常規(guī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有兩種主要的方法：改善壓氣機(jī)和渦輪的效率或通過(guò)增加渦輪進(jìn)口溫度改善循環(huán)的熱力學(xué)過(guò)程。從熱力學(xué)觀點(diǎn)看，增加渦輪進(jìn)口溫度是改善整體熱效率和功率系數(shù)的最有效方法。然而，氣體進(jìn)入渦輪的最高溫度由材料條件所限制。波轉(zhuǎn)子技術(shù)則可以突破這一限制，可使氣體進(jìn)入渦輪的溫度小于循環(huán)峰值溫度，即可在不提高渦輪進(jìn)口溫度的基礎(chǔ)上提高循環(huán)峰值溫度。現(xiàn)有理論計(jì)算表明，采用波轉(zhuǎn)子增壓循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)可在不提高旋轉(zhuǎn)部件溫度的情況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)的總增壓比增加，峰值溫度提高25%到30%,大大改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和單位功率，從而大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的污染排放，減少燃油的供給量。波轉(zhuǎn)子是一種利用激波對(duì)不同能量密度的氣流進(jìn)行能量交換的設(shè)備。它的主要作用是使壓力和溫度狀態(tài)不同的氣流進(jìn)行能量交換，溫度壓力高的氣流減壓降溫，溫度壓力低的氣流升溫增壓。這一過(guò)程利用的就是激波前后的壓力突升和膨脹波使氣流壓力降低的特性。波轉(zhuǎn)子增壓循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)正是利用波轉(zhuǎn)子的能量交換特性才使發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能得到很大改善。波轉(zhuǎn)子技術(shù)的研究歷史雖然很長(zhǎng)，但仍存在很多問題。除了非定常流動(dòng)問題的復(fù)雜性、非設(shè)計(jì)狀態(tài)問題以及選擇最佳波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)的不確定性之外，還存在很多工藝實(shí)現(xiàn)上的問題，如密封問題和熱膨脹問題。這其中波系的組織技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，波轉(zhuǎn)子的核心原理是非定常流動(dòng)的認(rèn)識(shí)與利用，到目前為止，人們?cè)谶@方面的積累仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。本文研究的主要目的是進(jìn)一步了解波轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，采取解析分析及數(shù)值模擬的方法分析波轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)，力求為波轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)提供參考。2 波轉(zhuǎn)子基本工作原理為表示四端口波轉(zhuǎn)子是如何工作，現(xiàn)在描述一下通流四端口波轉(zhuǎn)子一個(gè)循環(huán)內(nèi)的各種過(guò)程。這個(gè)過(guò)程從波動(dòng)圖的下部開始，下部通道的兩端都是關(guān)閉的，里面是低溫低壓的流體。對(duì)于回流波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通道內(nèi)的流體包括一大部分的熱氣和由交界面分開的一基金項(xiàng)目：武器裝備預(yù)研基金項(xiàng)目(9140C4103090803)個(gè)緩沖層。對(duì)于通流波轉(zhuǎn)子，通道內(nèi)只有燃?xì)?。?dāng)通道運(yùn)動(dòng)后，通道右端逐漸打開，與相對(duì)低壓的出口端接觸，會(huì)在出口端的邊緣產(chǎn)生膨脹波，并向通道內(nèi)傳播，這時(shí)只有燃?xì)怆x開波轉(zhuǎn)子去往渦輪。膨脹波在左端壁反射，進(jìn)一步降低通道內(nèi)流體的總溫和總壓。這樣，當(dāng)進(jìn)口端打開時(shí)就可以吸取壓氣機(jī)的新鮮空氣進(jìn)入通道。當(dāng)反射的膨脹波到達(dá)出口端時(shí)，它使流動(dòng)減慢，并反射回壓縮波，同時(shí)關(guān)閉出口端使通道內(nèi)流體停止。當(dāng)壓縮波束向進(jìn)口端運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)形成一道激波。當(dāng)激波到達(dá)通道左端時(shí)，進(jìn)口端關(guān)閉。這時(shí)，通道內(nèi)的流體相對(duì)轉(zhuǎn)子是靜止的。上面這一過(guò)程叫做循環(huán)的低壓部分（清除過(guò)程）。這一過(guò)程的目的就是將高壓燃?xì)馑腿霚u輪，部分的清除轉(zhuǎn)子通道，并吸進(jìn)壓氣機(jī)的新鮮空氣。在緊接著的循環(huán)高壓部分（進(jìn)氣過(guò)程），轉(zhuǎn)子通道開始接觸來(lái)自燃燒室的燃?xì)?。?dāng)進(jìn)口端打開，熱燃?xì)猓?qū)動(dòng)氣體）穿過(guò)通道。既然燃?xì)獾膲毫Ρ韧ǖ纼?nèi)氣體（被驅(qū)動(dòng)氣體）壓力高，在進(jìn)口端的底角將會(huì)觸發(fā)激波。激波穿過(guò)通道，使通道內(nèi)氣體的壓力產(chǎn)生突升。當(dāng)激波到達(dá)通道末端時(shí)，出口端逐漸的開放，在下面的出口端邊緣將產(chǎn)生反射激波，反向傳播回通道。反射激波補(bǔ)償燃燒室內(nèi)的壓力損失。反射激波后經(jīng)過(guò)兩次壓縮的流體離開波轉(zhuǎn)子進(jìn)入燃燒室。在回流波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，進(jìn)入燃燒室的流體完全是空氣，而通流波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，空氣和已經(jīng)燃燒過(guò)的燃?xì)舛紝⑦M(jìn)入燃燒室。詳細(xì)的流體流動(dòng)顯示，在通流結(jié)構(gòu)中，大約有30%到50%的燃?xì)庠僖淮芜M(jìn)入燃燒室。一種想要的情況是當(dāng)反射激波到達(dá)左端時(shí)關(guān)閉燃?xì)膺M(jìn)口端。這時(shí)在進(jìn)口端的上角落產(chǎn)生膨脹波，朝通道的另一端傳播，此膨脹波將最終使通道內(nèi)的流動(dòng)停止。當(dāng)膨脹波到達(dá)通道末端時(shí)，出口端逐漸關(guān)閉，轉(zhuǎn)子通道內(nèi)的流動(dòng)停止。這時(shí)，流體沒有速度，是循環(huán)最高溫和最高壓力的狀態(tài)?，F(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好通過(guò)低壓過(guò)程再次出氣進(jìn)入渦輪，即開始下一次循環(huán)。2 數(shù)值計(jì)算方法本文利用FLUENT計(jì)算了二維徑流波轉(zhuǎn)子和單通道、多通道的軸流波轉(zhuǎn)子的內(nèi)部非定常流動(dòng)。波轉(zhuǎn)子的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就在于轉(zhuǎn)速較低，因此對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算本文采用非耦合求解，即分離隱式解法。湍流模型采用S-A模型。圖1 波轉(zhuǎn)子模型及網(wǎng)格由于此處幾個(gè)模型結(jié)構(gòu)都相對(duì)規(guī)整，因此除了間隙處加密外，其余處全部采用均勻網(wǎng)格。但為了保證計(jì)算精度，采用了較大的網(wǎng)格密度。徑流、單通道及多通道模型的網(wǎng)格數(shù)目分別6.8萬(wàn)、16萬(wàn)及45萬(wàn)。這里非定常計(jì)算中轉(zhuǎn)靜子間的數(shù)據(jù)傳遞采用FLUENT中的交界面處理；二維軸流模型的上下界面給定周期性邊界條件；轉(zhuǎn)靜子面以固壁給；進(jìn)口給定壓力進(jìn)口條件，出口給定壓力出口條件。3計(jì)算結(jié)果分析3.1 徑流模型圖2所示為t=6.832e-3s時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力、溫度、速度幅值和流線圖，從圖中可見，高壓區(qū)的激波與其反射波以及低壓區(qū)的膨脹波都很明顯，這是波轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)換能的非常關(guān)鍵的一步。本文的計(jì)算結(jié)果中，激波的觸發(fā)并不是瞬時(shí)形成一個(gè)均布通道寬度的壓力梯度，而是由局部的高壓區(qū)逐漸進(jìn)行增壓的，后面的分析中會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)非定常的過(guò)程。此外，由圖中的流線圖可見，在兩個(gè)出氣端口均出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，這主要和端口的結(jié)構(gòu)有關(guān)，如將出氣端口沿出氣方向稍作傾斜等就可以很好的改善回流。最后，比較進(jìn)出口參數(shù)值可見，內(nèi)部的波動(dòng)過(guò)程充分實(shí)現(xiàn)了換能作用，滿足設(shè)計(jì)的需要。圖2 t=6.832e-3s時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力、溫度、速度幅值和流線圖圖3所示為不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力分布，比較連續(xù)七個(gè)物理時(shí)間步的結(jié)果可見，在通道逐漸對(duì)port2打開時(shí)，在壓力面會(huì)形成一個(gè)高壓區(qū)，吸力面行成一個(gè)低壓區(qū)，當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)向內(nèi)移動(dòng)時(shí)誘發(fā)內(nèi)部產(chǎn)生高壓區(qū)，與壓力面的高壓區(qū)結(jié)合形成強(qiáng)的壓縮波。這是通道二維計(jì)算中才能發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，體現(xiàn)了端口非瞬時(shí)開放對(duì)流動(dòng)的影響。但同樣可以發(fā)現(xiàn)，這一過(guò)程對(duì)低壓區(qū)的膨脹波系影響不大。可見，端口的非瞬時(shí)開放主要影響的是激波的形成過(guò)程和所需的時(shí)間，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮這一因素。此外單個(gè)通道對(duì)端口開放程度的不同，直接影響到port5的流量和內(nèi)部渦的大小。由溫度圖還可清楚地看到熱燃?xì)庵饾u進(jìn)氣和出氣的過(guò)程。6.848e-3s 6.864e-3s 6.88e-3s6.896e-3s 6.912e-3s 6.928e-3s圖3 不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力分布3.2軸流多通道模型圖4所示為t1.41e-03s時(shí)的壓力溫度密度分布圖，由可以清楚地看出內(nèi)部的各種波動(dòng)，當(dāng)通道左端對(duì)燃燒窒出口端開放時(shí)，觸發(fā)激波，通道上移（實(shí)際過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)）的過(guò)程中激波向右傳播，到達(dá)右壁面時(shí)反射，緊接著打開通道右端，因?yàn)楸硥狠^小，氣體有所膨脹，因此圖中下半部分出現(xiàn)了一個(gè)向左傳播的高壓區(qū)。圖中上半部分兩個(gè)端口的膨脹波系也很明顯。溫度圖與流線基本對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)情況下，要求在一個(gè)循環(huán)中從壓氣機(jī)的進(jìn)氣（port1）全部從port5（去往燃燒室）出氣，但這里的計(jì)算中由流線可見，部分壓氣機(jī)的進(jìn)氣從port4直接去往渦輪，在溫度圖中port4下部也存在低溫區(qū)，這部分的氣體能量加入很少，直接進(jìn)入渦輪會(huì)對(duì)總體性能產(chǎn)生影響。關(guān)于這一部分流動(dòng)的控制，我認(rèn)為可以通過(guò)改變出口背壓值進(jìn)行調(diào)整。在port1的上部存在一個(gè)較小的回流區(qū)，這里我認(rèn)為，主要是因?yàn)橛蓀ort4關(guān)閉所觸發(fā)的壓縮波傳播速度較快，沒有到達(dá)port1的上角點(diǎn)處就而直接進(jìn)入了端口，使其部分壓力升高而造成回流和角點(diǎn)處的渦流。圖4 t1.41e-03s時(shí)的壓力溫度密度分布圖圖5所示為不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力分布，比較連續(xù)七個(gè)物理時(shí)間步的結(jié)果可見，由這一變化過(guò)程可以清楚的看到通道移動(dòng)時(shí)內(nèi)部波的形成過(guò)程。當(dāng)端口逐漸對(duì)port2開放時(shí)，近端口處由通道上下壁面向內(nèi)壓力慢慢升高，且此高壓區(qū)整體向右傳播，當(dāng)端口基本全部打開時(shí)，通道當(dāng)?shù)貕毫σ策_(dá)到最大值，形成向右傳的激波。其它波系在端口角點(diǎn)處的發(fā)展過(guò)程也很明了，由此非定常二維圖即可觀察到端口非瞬時(shí)開放及間隙等的影響。清楚了這些因素的影響情況后，就可對(duì)其建立減化模型，以更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)設(shè)計(jì)。1.42e-03s 1.43e-03s 1.44e-03s1.45e-03s 1.46e-03s 1.47e-03s圖5 不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子內(nèi)壓力分布圖6為二維定常（左）與非定常（右）壓力分布比較，比較兩圖發(fā)現(xiàn)，中心場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)完全相同。穩(wěn)態(tài)模擬中，由于背壓給的相對(duì)較低，port2的進(jìn)氣有部分沒有經(jīng)過(guò)燃燒室而直接進(jìn)入渦輪，計(jì)算中這部分氣體很少。在穩(wěn)態(tài)模擬場(chǎng)中，存在一條很突出的高壓區(qū)，這個(gè)高壓區(qū)在計(jì)算結(jié)果中同樣存在，但壓力值要低很多。對(duì)此認(rèn)為，穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，很難設(shè)計(jì)完全準(zhǔn)確的使激波在端口角點(diǎn)處反射，因此激波反射后的高壓在遇到開放端口會(huì)產(chǎn)生膨脹，使壓力又有所降低，而模擬的是二維通道，在端口處是逐漸開放的，可使激波在反射時(shí)端口已部分打開，而不會(huì)形成太高的壓力區(qū)。圖6 二維定常（左）與非定常（右）壓力分布比較3 結(jié)論本文利用數(shù)值方法分析了徑流與軸流波轉(zhuǎn)子內(nèi)部流動(dòng)，得出以下結(jié)論：模擬的流場(chǎng)特征與設(shè)計(jì)要求相符，計(jì)算結(jié)果充分顯示了波轉(zhuǎn)子內(nèi)不同能量密度的氣體實(shí)現(xiàn)能量交換的過(guò)程，同時(shí)也顯示了端口非瞬時(shí)開放等非定常過(guò)程的影響，為簡(jiǎn)化模型的進(jìn)一步完善提供依據(jù)。但是采用該軟件的計(jì)算，所用時(shí)間仍太長(zhǎng)，在最初的設(shè)計(jì)所起的作用可能不大，主要可作為后期的流場(chǎng)及性能等的驗(yàn)證分析。參考文獻(xiàn)1 Paxson, D. 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