航空发动机清洗两相流场的数值模拟研究

王春晖，许志鹏，杨欣毅

(1．海军装备部飞机办公室，北京100071;2．海军航空工程学院，山东烟台264001)

1 引 言

航空发动机在使用过程中因发动机主气流通道由于材料腐蚀、颗粒附着、积垢等往往会造成叶片、通道的型面变化和粗糙度增加，影响部件的工作性能，进而诱发发动机的性能衰退，甚至危及发动机结构的安全性。国内外军用、民用航空发动机的使用经验表明［1－4］:对发动机气流通道进行清洗是防止发动机性能衰退、减缓腐蚀发展的重要技术手段。

目前使用较多的防护性的清洗是将一定流量、一定雾化程度的清洗液喷入航空发动机的压气机以清除各种附着物或腐蚀性的物质。清洗液可以是纯净水或水与清洗剂的混合物，发动机可以处于冷转状态也可以处于慢车状态。在发动机清洗系统的设计中，还涉及清洗液的雾化质量、流量、喷射方式和角度等参数的确定［5－12］，往往需要大量的实验和优化，其工作量和耗费均比较大。

本文针对某型航空发动机清洗系统的需求，建立了发动机进气道的气流和液滴的两相流计算模型，并对影响清洗液滴运动和覆盖程度的各种参数和发动机状态进行了分析，优化了各种清洗参数，计算结果为发动机清洗方案和清洗系统的设计奠定了基础。

2 控制方程

本文采用典型的欧拉－拉格朗日方法［13］模拟两相流场，设计气相控制方程、颗粒相控制方程等理论方程。

2.1 气相控制方程和湍流模型

以全三维数值模拟方法对清洗流场进行仿真计算量相当大，故采用一方程的S－A湍流模型［14］。该模型广泛运用于航空航天领域，具有相对小的计算量和适用的计算精度，模型对湍流效应的模拟通过计算湍流黏性系数得到，所求解的三维N－S方程组和湍流方程为:

其中:μeff=μ+μt。

湍流效应的计算:

2.2 颗粒相计算模型

为了准确模拟各种清洗方案中液滴的运动和破碎，采用拉格朗日方法直接模拟液滴在流场中的运动，其基本运动方程如下:

积分每个液滴的运动方程即可得到液滴的运动轨道，计算中考虑了液滴和气流的相互作用和液滴受到的重力作用。发动机冷转状态和慢车状态进气道气流速度均较大，液滴的粒子雷诺数远远大于20。为保障清洗效果，液滴的粒度不能太小，故液滴的变形影响不可忽略，因此对液滴受到的拖曳阻力采用动态阻力模型计算。计算还考虑了液滴的碰撞和破裂，一般清洗所用的大直径液滴其维伯数往往大于100，因此采用波动破碎理论模型［15］(wave)预测液滴破碎。

2.3 喷嘴雾化模型

由于清洗液滴必须对发动机入口有一定的覆盖程度，同时考虑简化清洗设备，初步选定喷嘴为小角度的离心雾化喷嘴，喷嘴内部液膜形成和破碎的直接数值模拟尚无可能。因此以水的物性参数近似作为清洗液物性参数，采用经验模型模拟喷嘴中清洗液的喷射过程。

本文采用由Schmidt［16］等人发展的线性不稳定液膜雾化模型(Linearized Instability Sheet Atomization，LISA)估算喷嘴形成的初始液滴粒度、速度以及初始分布。该理论认为动力学的不稳定状态导致了液膜的破碎，即假定 Kelvin-Helmholtz波在初始液膜上形成，导致了液膜破碎，形成线状碎片;线状碎片由于表面张力不稳定机制而破碎形成液滴。

本文利用FLUENT内置的经验公式模拟液体在喷嘴内部的雾化过程，同时将需给定的背压、喷雾锥角、喷嘴名义尺寸等参数作为可变化参数进行必要的分析和优化。

2.4 计算方法

按照CFD原理，首先需要对连续流场空间进行离散，即需要对计算区域划分网格，而后在网格上求解离散的控制方程。本文对控制方程利用FLUENT软件中的有限体积法进行离散和求解。计算中对近壁流场的计算采用壁面函数法，所用CFD软件FLUENT内置的壁面函数使计算结果对壁面网格密度的依赖性相对较小，同时计算主要考虑进气道中心两相流的计算，壁面湍流计算为次要因素。但考虑黏性影响，对壁面网格进行了局部加密，尽量使流场壁面量纲一的距离为 y+50～500。

3 计算模型

为保证清洗的实施，发动机初步确定采用在进气道安装清洗设备进行清洗的整体方案。由于针对的发动机采用了飞机、进气道、发动机为一体化设计，全部流场边界的模拟尚不太可能，因此计算直接针对进气道的流场区域进行，其实体模型如图1所示，该进气道为带有偏转角度、由矩形转为圆形的外压进气道。但是为了较为真实地模拟进气道的入口边界条件，在进气道入口附加了入口计算区域，以便模拟入口可能存在的回流和漩涡，如图2所示。计算中采用的混合网格见图2所示，总体计算网格量在200万左右。

图1 初步清洗方案Fig．1 Preliminary clean design

图2 几何模型和计算网格Fig．2 Geometric model and computational grids

本文主要分析液滴对发动机进口的覆盖程度，是否和进气道壁面碰撞等情况。计算中清洗喷嘴的三维空间坐标、流量、喷雾锥角、液滴粒度等均设为可调变量。进气道进口设置为标准大气条件，出口按照发动机慢车流量匹配压力条件。进气道壁面、中心锥壁面相对于液滴均设置为捕获边界。

计算设置如下的边界条件:

(1)各个状态下进气道流量设置为对应发动机的流量，慢车清洗液的总量为总流量的3%～5%，;冷转清洗流量也为4%～8%。

(2)喷嘴安装在距离进气道入口1．0～1．2 m的位置，其安装角度可调。

(3)考虑清洗车、管路流动损失等因素，清洗时喷嘴工作压力暂定为0．8 MPa。

4 结果分析

本文采用气相流场－颗粒相耦合求解模拟清洗流场，为便于分析，对连续相的气相流场和颗粒相分布均单独处理分析。

图3给出了发动机慢车和空转状态条件下进气道纵断面和过渡段空气的速度矢量，可见慢车和空转条件下进气道中流场相似，但慢车状态下进气道中平均速度远远大于冷转状态。图中进气道中具有向上的速度矢量分量，该速度矢量能给液滴以向上的拖曳力，这对清洗液的液滴克服重力影响，增加射程是有利的。但是，进一步分析截面内的速度矢量可知，进气道对称截面内向上的速度矢量将伴随两个对转的漩涡系，该双漩涡流场不仅可以使液滴雾锥下半部的液滴克服重力向上运动，而且会使液滴雾锥向扁平化发展，并且慢车状态的这种效应远远大于冷转状态。

图3 进气道中的气流速度矢量图Fig．3 Inlet flow velocity vector

大量的试算表明，在发动机慢车状态下，进气道中向上的速度矢量较大，为了保证清洗液滴对发动机进口有较好的覆盖程度，需要采用较大颗粒度的液滴保持雾锥的形状，同时喷嘴轴线向下需要有一定角度的偏转。图4给出了慢车状态下计算得到的液滴分布情况，图中同时给出了液滴的直径分布，可见在喷嘴下偏和较大颗粒条件下，清洗液雾锥能到达发动机进口，从发动机进气锥界面液滴分布来看，在喷雾锥角合适的条件下，液滴分布基本合理，但由于对涡的影响，雾锥始终有一定的缺口。

图4 喷雾颗粒在进气道中的分布(慢车，喷嘴轴线偏下5°，SMD 1 300μm)Fig．4 Distribution of mist spray particle(idle state，nozzle axis 5°downward，surface mean diameter 1 300μm)

相对慢车状态清洗，发动机处于冷运转时进气道中向上的速度矢量较小，可以选择适合清洗又不至于因颗粒过大侵蚀发动机叶片的清洗液滴粒度。图5给出了冷转状态下计算得到的液滴分布情况，可见在喷嘴上偏6°，液滴在雾锥角度一定的范围内均能形成合理的分布，雾锥形状也保持较好。可见发动机冷转清洗方案在参数控制，清洗作用的实现上均比慢车清洗具有一定的优势。

图5 喷雾颗粒在进气道中的分布(冷转，喷嘴轴线偏上6°，SMD 1 000μm)Fig．5 Distribution of mist spray particle(cold rotation state，nozzle axis 6°downward，surface mean diameter 1 000μm)

5 结 论

本文针对航空发动机清洗系统方案论证的需要，通过建立计算模型进行数值分析得到如下结论:

(1)本文建立的两相流场计算模型较好地模拟了清洗过程中气流－清洗液在进气道中的运动和位置关系，为清洗方案的确定提供了分析工具;

(2)清洗液的分布是进气道气流和液滴共同作用的结果，在发动机慢车、冷转状态下，流速和进气道中对涡结构的存在，雾锥受到的影响程度也不同。

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