射流装置降温性能评估及敏感性分析

李艳军，常鸿雯，薛洪科，于晓春，吉海云

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

射流装置降温性能评估及敏感性分析

李艳军，常鸿雯，薛洪科，于晓春，吉海云

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

为了研究射流预冷喷射装置方案的降温性能及敏感性，以涡轮基组合循环发动机（TBCC）射流预冷技术为研究对象，提出由低流阻翼型结构的喷杆和雾化喷嘴组成的射流预冷喷射装置方案。利用FLU EN T软件对射流预冷喷射装置方案进行了数值模拟，获得该装置在不同喷嘴布局下的流场特性，以流场均匀性、阻塞比、压力损失、温降等性能指标评选最优方案。经过初步分析，蒸发距离、气体来流温度、液滴粒径和喷射流量会对蒸发过程产生影响，因此采用D O E结合数值模拟计算，对各影响因素对降温量和蒸发量进行敏感性评估。分析结果表明：喷射后的温降情况受射流流量、气体来流温度和蒸发距离的影响明显，分别约为65%、20.4%和1.3%；受液滴粒径的影响不明显，约为0.21%。在后期的试验过程中，应充分考虑喷射流量、气体来流温度和蒸发距离对温降的影响。

射流预冷；喷射装置；流场；数值模拟；蒸发；敏感性

0 引言

为满足国内对高空、高速推进动力系统的迫切需要，在成熟的涡轮发动机基础上进行性能升级，使飞行器达到更高的飞行马赫数，需要开展涡轮冲压发动机研制。涡轮冲压发动机（简称TBCC）是将涡扇发动机和冲压发动机组合起来使用，充分发挥二者的各自性能，提升工作包线。TBCC可使高速飞行器在亚声速、超声速和高超声速条件下都能获得良好的推进性能。使飞行器不仅具备可重复使用性，降低使用成本，还能极大拓展飞行范围，使其拥有更强的活动能力[1-7]。

射流预冷技术是指在常规涡轮发动机进口前加装射流装置，气体来流经过喷射装置后，与冷却介质相互掺混，通过介质的蒸发冷却进气道内的高温气流，使发动机进口前的气流温度满足常规发动机进气要求，从而使发动机在高空高马赫数下工作。同时，通过降低气流温度，增加了气流密度，气流流量增加，提升发动机推力，扩大发动机的工作包线[8]。

本文利用FLUENT软件对射流预冷喷射装置的不同布局进行数值模拟[9-15]，通过流场特性评估喷射装置布局的最优方案，并采用DOE对蒸发影响因子进行敏感性分析。

1 射流预冷装置数理模型

1.1 射流预冷装置设计点选取

将飞行器的飞行任务方案设定Ma=3.5，即取Ma=3.5、飞行高度H=23 km为设计点。喷水装置喷水流量W=0.17 kg/s，水温T=300 K。

1.2 射流预冷喷射方案

为满足发动机入口进气截面流场均匀性、射流段压力损失、喷射装置喷射截面阻塞比、射流段温度降等要求，按喷嘴布局形式提出5种喷射方案，如图1所示。

1.3 仿真模型的建立

射流预冷试验装置由冷却水喷射装置和蒸发段组成。大气进入射流段，经过喷射装置与冷却水掺混后，满足发动机进气要求。通过对某发动机进气道进行分析，利用UG建立射流段简化模型。方案4简化模型如图2所示。

1.4 网格化分和边界条件

1.4.1 网格化分

利用IETM软件对简化模型进行网格划分，采用非结构化网格，并在喷射装置附近进行网格加密，网格单元总数约为125万个，网格扭曲度均小于0.85，射流段局部网格模型如图3所示。

1.4.2 边界条件

利用FLUENT软件对不同方案进行流场计算，求解设置采用文献[16]中的κ-ε湍流模型、组分输运模型和离散项模型。在INJECTION模块中，选用solid-cone喷嘴类型，粒径分布选择Rosin-Rammler分布。

入口采用质量入口边界条件，出口采用压力出口边界条件。

2 仿真结果及分析

采用FLUENT软件对5种方案进行数值模拟，通过流场均匀性、阻塞比、压力损失、温度降等性能指标来评选最优方案。

2.1 进、出口指标分析

5种方案的阻塞比、压力损失、温度降计算结果见表1。从表中可见，方案5的温降最大，压力损失小；方案3的阻塞比和压力损失最小，但温降一般。

表1 射流段进、出口性能指标

2.2 温度场分析

5种方案射流段内总温如图4所示，从图中可见，各方案气体来流在经过喷射装置后，气体来流总温均发生显著变化，随着雾化液滴不断蒸发，温度沿程逐渐降低，温度分布也更均匀。

各方案出口总温分布如图5所示。从图中可见，各方案出口流场分布明显不同，与喷射装置的结构形式密切相关。方案1喷嘴分布几乎覆盖整个喷射截面，气体来流与喷射液滴充分掺混，出口截面总温分布更均匀；方案2喷嘴布局形式与方案1大体一致，只是左右两侧无喷嘴空间相对较大，导致两侧气体来流与喷射液滴接触面积小，气体来流温度偏高，但其喷射范围较大，在低温核心区比较明显；方案3采用“十字”布局形式，“十字”区域内气体来流与喷射液滴充分接触，温度降低明显，外部边缘气体来流与喷射液滴接触面积小，温度相对偏高；方案4、5分别采用“三角形”和“环形”布局形式，降温原理与方案3的类似。

2.3 压力场分析

各方案在设计点下的出口压力场如图6所示。从图中可见，方案1、2的喷嘴布局相对更均衡，喷射装置核心区相对较大，压力分布更均匀；方案3、4、5的喷嘴分别采用“十字”、“三角形”和“环形”布局，喷嘴布局相对不均衡，导致喷射核心区、结构内腔和外腔压力分布不均匀。

2.4 温降速率分析

5种方案温降速率如图7所示。从图中可见，方案1的温降速率最大，其他依次为方案2、5、4、3。

3 蒸发敏感性分析

在来流流量、射流段长度及直径一定的情况下，经过初步分析，蒸发距离、气体来流温度、液滴粒径和喷射流量会对蒸发过程产生影响，因此采用DOE结合仿真计算，以确定各因素对温降和蒸发量进行敏感性评估。

3.1 敏感性评估方案

只考虑蒸发距离、气体来流温度、液滴粒径和喷射流量4个影响因子，根据DOE试验要求，需进行24＝16次试验可以分析出彼此关系，考虑到非线性模型的可能，加入中心点作为另外1个试验点，共需17次计算。各影响因子的上、下限值见表2。

表2 影响因子及响应参数

3.2 敏感性试验结果

2.4 术后生活质量比较 两组患者在排便频率、排便紧迫感、排便困难及肛门功能满意度等方面，组间差异均无统计学意义（P＞0.05）。见表4。

根据DOE试验要求，利用FLUENT对17个状态点进行仿真计算，计算结果见表3。

表3 敏感性试验结果

3.3 敏感性分析

3.3.1 模型拟合分析

温降与射流流量、液滴粒径、气体来流温度和蒸发距离的拟合情况见表4。从P项分析结果可知，各影响因子对温降的影响显著；残差S和R-Sq结果表明残差可接受，因子拟合程度高。

表4 温降与影响因子的拟合分析

温降与影响因子的残差分析如图8所示。从图中可见，弯曲的P项值表明无显著弯曲现象。因此，此模型可用来分析各因子对温降的敏感度。

3.3.2 敏感性分析

温降与影响因子的主效应如图9所示。从图中可见，温降与射流流量、气体来流温度和蒸发距离强相关，与射流流量、气体来流温度和蒸发距离正相关，射流流量越大，气体来流温度越高，蒸发距离越长，温降越大；与液滴粒径负相关，液滴粒径越小，温降越大。

各影响因子的敏感度参数见表5。经过分析计算，表中列出各影响因子的主作用和交互作用的敏感度。从表中可知，喷射后的温降受射流流量、气体来流温度和蒸发距离的影响明显，超过85%；温降受射流流量和气体来流温度的交互影响明显，约为12%；温降受粒径的影响不明显，为0.21%。

表5 各影响因子的敏感度参数

4 结论

通过对TBCC射流预冷喷射装置方案降温性能及敏感性分析，初步得出如下结论：

（1）在喷射装置方案降温性能计算中，5种方案的压力损失都较小，不超过2%；从温降角度看，方案5、2、4具有较大的降温量。

（2）从温度场的均匀情况看，方案1的出口温度场均匀性最好；方案2的出口低温核心区明显，只是喷射装置两侧降温效果不明显；方案5的出口温度场相对方案3、4的要好一些。

（3）从压力场的均匀情况看，方案1、2的出口压力场分布更均匀，只是靠近壁面处压力分布不均匀；方案5、3、4的出口压力分布较差。

（4）若考虑阻塞比和压力损失，建议采用方案3、5和4；若考虑温降，建议采用方案5、2和4；若考虑出口流场的均匀性，建议采用方案1、2和5。

（5）从敏感性分析中可知，液滴粒径为30～70 um，射流流量、气体来流温度和蒸发距离对温降有显著影响，可在后期设计中调整这些影响因子，达到最佳的试验要求。

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Sensibility Analysis and Evaluation of Cooling Performance on Injection Device

LI Yan-Jun,CHANG Hong-wen,XUE Hong-ke,YU Xiao-chun,JI Hai-yun
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to investigate the sensibility analysis and evaluation of cooling performance on injection device,taking the mass injection and pre-compressor cooling technique of Turbo-Based Combined Cycle （TBCC）as research object,the scheme of injection device of injection pre-compressor cooling experiment which consists of spray bar with low flow resistance airfoil structure and atomizing nozzle was proposed.Numerical simulation of the scheme was performed,and the flow field properties with different nozzles layout were obtained.The optimal scheme was determined according to some performance indexes,such as the uniformity of flow field,the blocking ratio,the loss of pressure and the reduction of temperature and so on.The result was analyzed initially,and the influence on evaporation process was verified by the distance of evaporation,the temperature of airflow,the diameter of droplet and the rate of injection flow.Therefore,DOE united with simulation calculation was used to assess sensitivity of every impact factor on temperature decreasing and evaporation capacity.The results show that the effects of the rate of injection flow,the temperature of airflow and the distance of evaporation on the reduction of temperature are obvious,about 65%,20.4%and 1.3%，and the effect of the diameter of droplet on the reduction of temperature is little,about 0.21%.In the experiment process of later stage,the rate of injection flow,the temperature of airflow and the distance of evaporation should be fully considerated.

mass injection and pre-compressor cooling;injection device;flow field;numerical simulation;evaporation;sensibility

V 241.06

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.01.015

2016-06-27 基金项目：国家重大基础研究项目资助

李艳军（1987），男，硕士，工程师，主要从事设备设计与支持研究工作；E-mail:hityjli@163.com。

李艳军，常鸿雯，薛洪科,等.射流装置降温性能评估及敏感性分析[J].航空发动机，2017，43（1）：85-90.LIYanjun,CHANGHongwen,XUEHongke,etal.Sensibilityanalysisandevaluationofcoolingperformanceoninjectiondevice[J].Aeroengine，2017，43（1）：85-90.

(编辑：张宝玲)