三种收缩段在压气机试验器中流场特性对比

邹子翔

（中国航发湖南动力机械研究所，中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室，湖南株洲 412002）

0. 引言

压气机试验器的进气系统是压气机试验器中非常重要一个分部[1]，进气系统出口流场的性能指标（湍流度、速度不均匀度、总压不均匀度等）会直接影响到压气机试验件进口条件，从而影响压气机试验的真实性能。因此，具有一个良好流场品质的压气机试验器进气系统是十分关键的，行业标准对压气机气动性能试验的进气流场品质有相关要求。标准文件规定压气机入口总压不均匀度不大于5%，湍流度不大于3%[2]。对于压气机试验进气系统设计准则，在收缩段曲线上没有统一的要求，目前国内对于收缩段型线的研究国内不少学者在这也有一定的结论，但是他们都是单独对型线进行研究，未将收缩段型线带入试验器整体进行对比。将不同型线带入试验器进气系统中进行整体的流场计算更为准确。

本文采用数值模拟的方法，使用航标中的设计准则以某压气机的设计流量（3.5kg/s）进行设计，并将维氏曲线、双三次曲线和五次曲线带入试验器中进行整体数值模拟，分析它们的流场品质。

1. 模型介绍

1.1 进气系统模型及简要介绍

试验器进气系统的结构如图1所示，对进气系统的某些结构进行了适当简化：省略了扩压段中节流阀对进气系统气流的影响，没有考虑试验件对试验器进气系统的影响，不考虑加工误差和安装误差。

图1 进气系统模型结构及尺寸（mm）

收缩段型示意线图2所示，3种收缩段的计算公式如下所示，维氏曲线在进口部分收缩快，后部收缩慢；双三次曲线和五次方曲线的进出口都比较平缓。

图2 收缩段型示意线图

维氏曲线：

双三次曲线：

五次曲线：

1.2 网格划分

本文使用ICEM对流体域进行分区域网格划分，网格类型为结构化网格，对3种模型进行网格无关性验证后网格总数分别为422万（维氏曲线模型）、450万（双三次曲线模型）、480万（五次曲线模型）。

1.3 参数设置

本文流体域求解通过CFX软件进行计算，参数设置在CFX-pre中进行。流体介质为理想气体，参考压力为0Pa，气流为绝热流动，流体与壁面不发生热量交换。蜂窝器和阻尼网设置为多孔介质，开孔率分别为0.88和0.76，二次阻力系数（Quadratic Resistance Coefficient）KQ分别为0.6和 556。

湍流模型为标准k-ε模型，近壁面处理方法采用标准壁面函数。入口边界条件给定opening，压力为101325Pa标准大气压，出口为质量流量出口，出口流量为3.5kg/s。

2. 数值模拟结果

2.1 不同收缩段型线下的流场出口分析

不同收缩段型线下的流场出口参数见表1。其中，湍流强度是反映该截面气流速度脉动程度的一种参数。

表1 三种不同收缩段型线压气机试验器进气系统出口参数

从上表1中可以看出，3种不同型线的收缩段，出口参数都非常接近且都达到了标准要求的参数值。平均气流角都小于1°，可以认为出口流场都为水平方向。

从图3所示出口总压分布云图中可以看出，3种收缩段出口的主流区的总压分布十分均匀，近壁面位置总压略低。因为由于流体具有粘性，在靠近壁面的位置会产生附面层，附面层内的气流总压会随着离壁面距离的减小而降低。

图3 不同收缩段型线出口总压分布云图

从上面的出口参数来看，在将不同收缩段曲线带入压气机试验器进气系统进行整体计算可以得出3种不同的收缩段曲线出口的流场品质接近。

2.2 不同收缩段型线下的测量截面分析

3种不同型线的进气系统在流量管测量截面的静压分布如图4所示。

在压气机试验中，壁面静压是流量计算的重要参数之一[3]，从图4中能看出，3种不同模型只有维氏曲线的进气系统在静压测量壁面的静压是均匀的，静压不均匀度为2.90%。另外2个模型在壁面静压分布不均匀，静压不均匀度分别双三次曲线模型：5.19%，五次曲线模型：5.36%。在标准中，对流量管静压测量截面的静压不均匀度要求为小于5%，3种模型只有维氏曲线模型达到要求，后两种模型如果要达到该标准，可以尝试在流量管进口增加进气整流罩来实现。

图4 不同收缩段曲线进气系统流量管测量截面静压分布云图

2.3 不同收缩段型线下的测量截面流量波动分析

通过非定常计算来计算出3种不同收缩段的试验器进气系统在测量截面下的流量波动量，目前所内所采用的数采系统的采样率为8S/sec，在非定常计算中，所取得点数与数采系统采样率一致。因此选取的样本数据为40个连续采集的数据点，数据点均为压气机试验件设计转速下堵点的数据，计算公式为：

其中：δWc为流量管测量流量的相对波动量；为流量管测量流量的平均值，样本为连续40个测点数据。

3种不同收缩段的试验器计算所得的测量截面流量波动量如表2所示。

表2 3种不同收缩段压气机试验器进气系统测量截面流量波动量

从上表2数据中可以看出3种模型在静压测量截面测量出的流量波动量均小于0.1%，与目前现存的试验器测量波动量相比，比目前所内现存的压气机试验器实际测量的波动量小。

3. 结论

（1）3种不同收缩段型线的压气机试验器进气系统的出口总压分布不均匀度、出口平均湍流度、出口平均气流角均满足标准规定的压气机试验要求。（2）收缩段型线为维氏曲线的模型在静压测量截面的静压分布最均匀，不均匀度为2.90%切波动量也满足要求，另外2种模型在流量管静压测量截面上的静压不均匀度均大于压气机试验所需要的测量截面静压不均匀度小于5%的要求。（3）在航标得设计准则下，流量为3.5kg/s的试验器选用收缩段型线为维氏曲线可能能够获得最好的压气机试验进气流场。