中小型航空发动机受感器对流场总压场影响的数值仿真研究

余柯锋 胡金鑫 孙国民

摘  要：基于Fluent软件和真实受感器模型，采用数值仿真的方法，建立了与受感器实际使用环境近似的流场计算域，研究了两种常见结构的受感器对流场总压场的影响，探索了受感器在不同工况下对流场不同位置的影响程度和流场沿程的总压分布情况，获得了一些关于受感器对流场总压场和沿程总压损失影响的结论，有益于指导后续的设计人员开展相关研究。

关键词：受感器；数值仿真；流场总压场；沿程总压损失

中图分类号：TP391.9；V23  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）03-0131-05

Numerical Simulation Study on the Effect of Sensors in Small and Medium

Aero-engines on the Flow Field Total Pressure Field

YU Kefeng1， HU Jinxin1， SUN Guomin2

（1.AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute， Zhuzhou  412000， China; 2.Chongqing Airport Group Co.， Ltd.， Chongqing  401120， China）

Abstract： Based on the Fluent software and the real sensor model， this paper adopts the numerical simulation method to establish a flow field computational domain that is similar to the actual use environment of the sensor. The influence of two kinds of sensors with common structures on the flow field total pressure field is studied. The influence of the sensor on different positions of the flow field and the total pressure distribution along the flow field under different working conditions are explored. Some conclusions about the influence of the sensor on the flow field total pressure field and the total pressure loss along the flow field are obtained， which is beneficial to guide the subsequent designers to carry out relevant research.

Keywords： sensor; numerical simulation; flow field total pressure field; total pressure loss along the flow field

0  引  言

在目前的航空發动机研制过程中，常常需要采用各种测量手段来测量试验时发动机内部的流道参数，从而为发动机的设计改进提供指导。试验中可采用的测量技术手段可分为非接触式测量手段和接触式测量手段两大类，其中，非接触式测量手段主要包括使用先进的瞬态干扰速度测量设备，比如激光多普勒测速（LDV）、激光图像测速（PIV）等；接触式测量手段则主要是指各类受感器、热线风速仪等。

对于中小型航空发动机而言，由于发动机整体尺寸小，流道尺寸受限，因此，最常用的获取流道参数的测量手段就是受感器。使用受感器测量时，需将受感器伸入流场内部直至探头到达相应测点位置处，属于侵入式测量手段，因此必然会对流场产生一定的影响，正确评估受感器对流场的影响，对于提高发动机内部流场的测量测试精度有着重要的作用。

1  数值仿真研究

本次研究采用了多方案、多算例计算对比的方式，选择了两种常见结构的受感器（单点受感器和四点梳状受感器），建立了与受感器实际使用环境近似的计算域，选取了与受感器实际应用环境条件相似的多个进气条件，通过对比不同工况下插入受感器前后流场总压场的变化，了解受感器对流场总压场的影响。

1.1  数值仿真研究方法

考虑到常见的中小型航空发动机流道尺寸的结构特点，将计算域模型简化为简单的环形流道，选择单点受感器和四点梳状受感器为基本研究对象。数值仿真研究工具采用商业软件Fluent。

本文中的计算模型均采用ANSYS ICEM进行网格划分，由于模型较多，且受感器内部结构复杂，因此本文所有涉及的算例的模型网格采用非结构化网格。由于参照实际试验件选择，受感器整体尺寸较小，与计算域全局尺寸存在一定差异，因此在受感器附近对网格进行局部加密后设置1.3的增长比以便减小网格的尺寸梯度，通过试计算发现近壁面y+值在4左右，为满足计算精度要求，在壁面设置了10层边界层。

网格质量的好坏决定了最终计算结果的准确性，网格数量的选择是影响网格质量的重要因素，在正式计算之前，有必要研究网格数量对计算结果的影响，从而选择合适的网格数量进行正式仿真计算。本次研究在划分网格的过程中，进行了不断地网格整体加密及受感器局部加密，网格数量变化分别为61万、164万、300万、427万、586万、696万。通过计算发现，在网格数164万、300万、427万、586万、696万时，总压测量误差绝对值小于5 Pa，相对误差均小于0.01%，总的来说可以认为网格数量达到400万以后，总压测量值基本稳定，网格数量的差异对计算结果带来的影响可忽略，综合考虑计算效率，选择略大于400万的网格数量。

计算域入口边界条件设定为压力入口，设置总温、总压、速度方向，环境温度293.15 K、静压101 325 Pa；计算域出口边界条件设定为压力出口，出口静压为101 325 Pa；计算域周向与压力受感器壁面设定为无滑移壁面；采用Fluent求解，湍流模型为标准k-e。

为了直观地表示经过受感器对流场上下游流场均匀性的影响，以受感器头部入口处的轴向坐标为零点，记为Y=0，向流场入口方向为正，向流场出口方向为负，分别在上中下游三个共取9个观察截面，从图1可以看出，受感器布设于y4和y5观察截面之间。

1.2  数值仿真研究结果与分析

在分析数值仿真研究结果时，从受感器对流场总压场的影响和沿程总压损失两个角度开展分析，其中，流场的沿程总压损失定义为沿程各个观察截面的总压测量值与来流总压之差占动压头的百分比，计算公式为：

其中，Pt，i是流场插入受感器后i截面的平均总压，Pt，in是流场插入受感器前i截面的平均总压。

1.2.1  单点受感器对流场总压场的影响

图2显示了单点受感器对流场总压场的影响。从图中可以看出，在单点受感器正后方存在一片低压区，该区域的径向宽度沿流向逐渐减小，在下游一定距离，总压逐渐恢复。支杆尾迹向外壁面收缩，呈弓形。受感器在其下游造成流场总压损失的主要原因是气流在受感器支杆和感压管处出现了局部损失。感压管处的尾迹无论从轴向宽度还是径向高度，都明显小于支杆后的尾迹。在感压管头部的倒角处对称出现了两个漩涡，此处，总压最小，流速也最小，感压管造成的局部损失最大。紧贴感压管两侧的低压区径向尺寸沿流向均匀减小，越靠近感压管外壁，压力梯度越稀疏。两侧低压区在感压管尾部汇合，形成一个细长的尾迹，尾迹处的压力梯度密集，沿流向，压力梯度逐渐稀疏。受感器上游，贴近流域内外壁面的低压区厚度沿流向几乎无变化，但是，在受感器下游该区域厚度沿流向逐渐增加，则可知受感器对流场上游的附面层无影响，但会增大其下游附面层的厚度。

1.2.2  單点受感器对流场沿流程不同截面总压损失的影响

图3表示的是在不同气流马赫数、偏转角的情况下，插入单点受感器时，各观察截面总压损失系数的变化情况。

从图3可以看出，在马赫数不超过0.4的工况下，改变气流偏转角度对沿程总压损失的影响很小，曲线重合度非常高；而当马赫数不小于0.6时，无论是受感器上游截面还是受感器下游截面，气流偏转角对沿程总压损失的数值都有一定的影响，但是，气流偏转角的变化，始终不会改变总压损失沿程的变化趋势。当马赫数为0.6时，上游截面总压损失系数随角度的增加是变化趋势是波动的，波动范围不超过0.007%，因此可认为上游截面的总压损失系数不受气流偏转角的影响。该马赫数下的下游截面总压损失系数随气流偏转角的变化趋势仍然是波动的，波动幅度为0.015%，比上游截面的而波动幅度大。因此在高马赫数下，气流偏转角对下游截面的总压损失系数影响大于对上游截面的影响。但因其波动范围不超过0.02%，可认为受感器对流场沿程总压损失系数的影响不会明显随着气流偏转角的变化而变化。

1.2.3  四点梳状受感器对流场总压场的影响

图4显示了四点梳状受感器在不同进气条件下对流场总压场的影响。从图中可以看出，当Ma=0.2时，气流流速较低，经过套管外围流体产生了分离，主要的总压损失还是由于外围的分离损失，但经过和套管流出的气流混合，使得下游未见大面积的尾迹区；当Ma=0.8时，流速较高沿外围已经有明显可见的气流分离，经过套管流出的气流流速也比较高，尚未来得及混合已经向外喷出，因此可以看到，套管下游两侧有两个漩涡区，下游的尾迹宽度和沿流向的长度也更长。存在气流偏转角的工况，由于受感器的迎风面积相应增大，其尾迹区的宽度比0°进气时更宽，总压损失也更大。

1.2.4  四点梳状受感器对流场沿流程不同截面总压损失的影响

图5表示的是在不同气流马赫数、偏转角的情况下，插入四点梳状受感器时，各观察截面总压损失系数的变化情况。

从图5中可以看出，当四种不同的马赫数工况下，在受感器上游截面也就是y1～y4截面，沿流程总压损失系数是逐渐增加的，但即使在距离受感器头部最近（d=5 mm）的y4截面总压损失也只有0.392 8%，相比于y1截面增长了不到0.1%，由气流偏转角引起的变化不大。从y4截面以后总的变化趋势都是经过受感器之后总压损失系数锐减再逐步增加，但由各气流偏转角引起的总压损失系数变化开始出现较大差异，其中0°和5°曲线基本重合，从y5截面开始总压损失直线上升，到y9截面总压损失系数为0.455%，中间角度15°、25°和35°三条曲线基本同步变化，总压损失系数增加的位置向后偏离到y6开始上升，沿程各截面的总压损失系数随着气流偏转角增加而增加但幅度不大，到距离受感器最远的截面y9总压损失增加的幅度又与角度变化成负相关。总的来说，受感器对上游的影响程度是有限的可以忽略不计。当马赫数大于0.6时，气流偏转角与总压损失系数成正相关，并且随着马赫数的增大而增大，受感器下游的y5截面，0.8马赫工况下受感器对流场造成总压损失系数几乎是0.6马赫工况的2倍。

2  结  论

本次研究得到以下结论：

（1）插入受感器后，受感器对流场上游的附面层无影响，但会增大其下游附面层的厚度。

（2）插入受感器后，受感器对流场上游总压场基本没有影响，但会在下游产生有限的尾迹区域，在尾迹区内，压力会明显降低，且下游尾迹区的形状和大小，明显受到进气条件的影响。

（3）插入受感器后，流场上游截面的总压损失系数不受气流偏转角的影响。在低马赫数工况下，可近似认为插入受感器后，当气流偏转角的变化时，沿程总压损失系数的变化规律不会跟随气流偏转角的变化而变化；在高马赫数工况下，气流偏转角对下游截面的总压损失系数影响大于对上游截面的影响，气流偏转角和气流马赫数的变化会影响沿程总压损失系数的绝对值，当马赫数大于0.6时，气流偏转角与总压损失系数成正相关，并且随着马赫数的增大而增大，在受感器下游最接近的y5截面，0.8马赫工况时的总压损失系数几乎是0.6马赫工况的2倍。

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作者简介：余柯锋（1990—），女，汉族，湖北宜昌人，工程师，硕士研究生，研究方向：发动机测试技术；胡金鑫（1998—），男，汉族，四川泸州人，助理工程师，硕士研究生，研究方向：发动机测试技术。

收稿日期：2022-09-06