高湿环境下盐雾气溶胶混匀装置研究

马平昌,高 飞,刘 玥,路梓照,丁智力,崔英伟

(1.北京强度环境研究所, 北京 100076;2.天津航天瑞莱科技有限公司北京分部, 北京 101102)

0 引言

腐蚀敏感性试验对于航空发动机而言是一项非常重要的鉴定试验,由于缺乏相关技术和设备,我国很长一段时间未成功开展此类试验[1-2]。腐蚀敏感性试验要求模拟发动机在运行及存放过程中环境以及进气的盐雾浓度,相关标准[3-4]仅指出盐雾气溶胶浓度模拟精度应处于±20%以内,而未明确盐雾气溶胶在供气截面的均匀性指标,实际上发动机进气前端供气风道截面的盐雾气溶胶浓度均匀性直接关系到试验考核的一致性。

目前关于气溶胶混匀的研究主要集中于过滤器检测设备,空气过滤器与高效过滤器试验检测标准[5-7]均指出过滤器上游气溶胶应分布均匀,在至少9个均匀分布的测点上,其中任一点的流速和气溶胶浓度不偏离平均值的10%。过滤器检测设备中气溶胶混匀装置主要采用单点注入方式,通过各类混匀元件扰流实现气溶胶混匀,其中欧洲和美国的空气过滤器试验台使用混合孔板及多孔扩散板的组合作为风速和气溶胶的混匀装置;日本过滤单元试验装置[8-9]采用变径风管作为气溶胶混匀装置;GB/T6165—2008中的钠焰法试验风道[10]采用5倍直径的直管段以及缓冲箱作为气溶胶混匀装置。空气过滤器性能检测试验的混匀装置对于航空发动机腐蚀敏感性试验具有很好的借鉴意义,但是对于一般空气过滤器或者高效过滤器,具有截面均匀性要求的气溶胶粒子均≤0.5 μm,供气相对湿度<70%,并且气溶胶浓度为统一粒径下的数量浓度。研究表明[11]1 μm以下的粒子对气流具有良好的跟随性,因此在空气过滤器气溶胶混匀验证中常常以风速均匀直接代表气溶胶浓度均匀,这与航空发动机腐蚀敏感性试验模拟的盐雾环境有很大的区别。海洋环境盐雾粒度分布处于0.4～10 μm,环境湿度≥73%,而湿度会极大影响盐雾气溶胶在环境中的实际粒径[12],并且气溶胶浓度为多粒径下的综合质量浓度[13],因此针对航空发动机腐蚀敏感性试验中高湿环境下盐雾气溶胶的混匀需要进行进一步研究。AEDC海上试验平台SL-3[14]在风道截面布置73个盐雾喷嘴,实现供气截面盐雾气溶胶均匀,但其未给出具体均匀性效果;丘丹圭等[15]指出在某些特殊情况下,采用单点注入无法实现与气流均匀混合时,需要使用多点注入技术。

本文中提出基于多点注入技术结合扰流元件的混匀装置,通过多点注入方式实现气溶胶发生源位置风道截面气溶胶布满,通过后端扰流元件的设计,利用气流漩涡实现短距离气溶胶浓度均混效果,并通过一定长度的直管段稳流,最终实现风道截面气溶胶浓度和流速均匀的目标,研究结果表明新型混匀装置很好地实现了含盐气流均流和均浓的效果。

1 混匀装置设计

1.1 气动设计

针对等效直径D=300 mm的方形送风管道,进行混匀装置的气动设计,混匀装置采用1/4模型气动计算,几何模型如图 1所示。计算域总长l为5D,其中入口距离扰流圆柱长度为D,在宽度方向扰流圆柱等间距布置,间隔距离60 mm。采用非结构网格对计算域进行离散,并在璧面处进行网格加密,计算过程中对整个流体区域总压变化梯度较大的部位进行自适应网格加密,以提高计算精度,如图2所示。计算采用的边界条件分别为进口条件:速度入口V,取4 m/s;出口条件:压力出口,与大气环境一致;壁面边界条件:标准壁面函数,无滑移边界条件;1/4计算模型的底面与右侧面采用对称边界条件;流体选取不可压缩气体,密度取值1.225 kg/m3,采取SSTk-ω湍流模型,并采用二阶迎风格式的 Simple算法。

图1 混匀装置计算模型Fig.1 The calculation model of blending device

图2 计算网格Fig.2 The calculation grid

为了验证数值模型的有效性,针对扰流板插入深度H=0.4D,扰流板距扰流圆柱距离L=0.5D工况进行网格无关性计算,计算结果如图3所示。由图3可知,随着网格数量的增加,从入口至出口整体流动的压力损失逐渐收敛,网格量1 034 343与网格量1 996 889计算结果偏差仅为0.5%,综合考虑计算精度与计算资源,后续分析均采用网格量为1 034 343 的数值模型进行计算。

图3 网格无关性验证Fig.3 Grid independence verification

气流在风道内流动过程中的压力损失包括沿程压力损失以及局部压力损失,工程估算流动压力损失公式如下[16]:

长直段沿程压力损失:

(1)

圆柱绕流局部压力损失

(2)

扰流板突缩压力损失

(3)

扰流板突扩压力损失

(4)

总体流动压力损失:

式中:λ取值0.02[16];ξ取值为0.3[17];A为风道截面积;S为扰流板位置通流面积。

由图3可知,网格量为1 034 343时压力损失计算值为25.91 Pa,与工程估算值偏差为13%,满足工程设计精度要求。数值计算值比工程估算值偏高的原因有可能是实际流动中扰流圆柱与扰流板之间存在相互作用,而工程估算则忽略了相互作用的影响效果。

计算流线图如图4所示。由图可知气流通过扰流圆柱后,气流在宽度方向上形成漩涡,并向下游发展,随后柱状漩涡受到扰流板的扰动,在高度方向上再次发生卷曲,最终在扰流板后方形成宽度方向和高度方向同时旋转的涡流,经过一段直线段后,涡流逐渐耗散,气流再次呈水平方向均匀流出。双向漩涡的形成可以实现气溶胶多方向快速均浓均流的目的。

图4 混匀后的流场流线图Fig.4 Flow field streamline after mixing

在形成双向涡流场的过程中,扰流板的插入深度H以及扰流圆柱与扰流板的间距L对流场特性的影响较大。图5为扰流板在不同插入深度下形成的流场特性,当H=0.2D时,扰流板后方形成的回流区较小,并且圆柱后方大部分流动流体通过收缩扩张后直接由出口流出,以至于气溶胶未得到充分掺混;当H=0.4D时,圆柱后方大部分流动流体经过一段距离后均进入扰流板后方回流区,通过回流掺混后由出口流出;当H=0.8D时,圆柱后方流动流体基本全部进入扰流板后方回流区,经过充分掺混后由出口流出,但是此时扰流板后方回流区较大,需要更长的稳定段才可实现气流水平均匀流出。综合考虑流体掺混效果以及所需后端稳定段的长度,扰流板插入深度H=0.4D时,效果最佳。

图5 扰流板不同插入深度下的流场流线图Fig.5 Streamline diagram at different insertion depth of spoiler element

图6为扰流板插入深度H=0.4D时,扰流圆柱与扰流板在不同间距下形成的流场特性,当L=0.25D时,圆柱后方漩涡的形成以及发展受到一定的阻碍,通过扰流板的扰动后,形成的双向涡流的横向卷曲范围较小,以至于宽度方向气溶胶的混匀效果受限;当L=0.5D时,圆柱后方的漩涡得到发展,柱状漩涡受到扰流板的扰动后在高度方向上再次发生卷曲,形成范围较大的双向涡流;当L=D时,扰流板后方形成双向涡流的横向卷曲范围同样较小,这是由于圆柱后方的漩涡在向后发展的过程中逐渐耗散导致的,因此当L=0.5D时,扰流板后方可以形成较为理想的双向涡流。综上,设计混匀装置中扰流板插入深度H=0.4D,并且扰流板放置于扰流圆柱后方0.5D的位置处最优。

图6 扰流圆柱与扰流板不同间距下的流场流线图Fig.6 Streamline diagram under different spacing between cylinder and spoiler element

1.2 结构设计

混匀装置由多孔注入器和扰流板组成。设计多孔注入器如图7所示。多孔注入器在宽度方向设置由上下端分别进气、两两一组的多组分气管,分气管上均布多个喷射孔。载有气溶胶的气流从气溶胶注入口进入多孔注入器内,并通过集气管分别从上下均分进入不同的分气管内,随后通过分气管上多个喷射孔喷射至风道内。分气管设计为圆柱结构,喷射孔位于圆柱分气管的背风位置,从而可以有效地结合多点注入和圆柱扰流的作用。对于一端封闭的等直径分气管,管内压力沿封闭端逐渐增大[18],与此相对应的喷射孔射出的气溶胶流量也逐渐增大,而对侧进气的一组分气管在背风圆柱扰流的作用下可保证高度方向气溶胶均匀喷射。

图7 多孔注入器结构示意图Fig.7 Structure of multipoint injector

多孔发生器采用法兰和风道管路进行连接,集气管位于风道外部,风道内仅有分气管分布于风道截面。扰流板的结构如图8所示。扰流板设计为法兰结构形式,从而与风道管路进行连接,其在管路的插入深度呈上下对称分布。

图8 扰流板结构示意图Fig.8 Structure of spoiler

2 试验验证

搭建试验台架如图9所示。试验台架性能及试验环境工况如表1所示。

表1 试验台架性能及试验环境工况Table 1 Test bench performance and test environment conditions

图9 试验台架实物Fig.9 Physical object of test bench

试验工况用于模拟典型的海洋温度湿度环境[19],从而在此环境下进行混匀装置的性能测试。采用微盐雾发生装置作为盐雾气溶胶发生源,微盐雾发生装置利用压缩空气进行盐水雾化,通过控制压缩空气供气压力可以实现盐雾发生量的调节,通过测试在不同工作状态下,微盐雾发生装置产生的盐雾气溶胶粒径分布均处于0.3～10 μm,如图10所示。因此盐雾发生装置产生的盐雾粒子符合自然环境盐雾气溶胶分布规律[13]。

图10 盐雾发生装置产生的粒径分布Fig.10 Particle size distribution produced by salt mist generating device

采用六通道粒子计数器,如图11(a)所示。进行截面盐雾均匀性的测试评估,测试位置采用九点测试,如图11(b)所示。每个点进行三次平均取样测试,单次测试时间为1 min,抽气流量为2.83 L/min。

图11 测试仪器及截面测试位置定义Fig.11 Test instrument and definition of section test position

2.1 多孔注入器性能测试

在试验台架上安装多孔注入器进行性能测试,微盐雾发生装置产生的气溶胶粒子从上部向多孔注入器上的气溶胶注入口注入,在多孔发尘器后方5D(D为等效管道直径)位置处进行截面盐雾均匀性的测试评估,测试结果如图8所示。由图12可知盐雾气溶胶由多孔注入器喷出后,在不同风速下,测试截面不同位置的粒子均具有较好的一致性。对比图12(a)和图12(b)可得,粒径≤3 μm的盐雾气溶胶在供气截面的分布受风速影响较小,初始注入点是否均匀是其尽快实现混匀的主要关键因素;而粒径>3 μm粒子在高风速作用下的空间均匀性优于低风速,这是由于高风速气流内部流动更加紊乱,一定程度上加强了大粒径气溶胶的混匀。

图12 多孔注入器性能测试中不同位置的粒子数Fig.12 Number of particles at different positions in performance test of multipoint injector

高湿环境下微粒盐雾气溶胶粒子呈球形分布[20],对于微粒气溶胶,忽略重力影响,根据测试得到不同粒径的粒子数进行计算可得风道截面的盐雾含量,计算见式(5)。

(5)

式中:K为修正系数,由实际标定获取;ρsalt为盐雾粒子的密度,取1.03 g/mL;Di为通道粒子直径;Ni为某通道对应的粒子数;Ni0为风道本底某通道对应的粒子数;minlet为单次取样周期内吸入空气质量,取3.4 g。

计算结果如表2所示。由表2可知,测试截面盐雾含量平均值与理论值最大偏差仅为1.3%,满足测试评价要求。采用多孔注入器进行盐雾气溶胶多点注入时,在不同风速下均具有较好的质量浓度混匀效果,尽管大粒径盐雾气溶胶在测试截面高度方向和宽度方向上数量有一定的差别,但测试截面不同位置的盐雾质量含量均匀性均满足≤10%。对比1-2-3、4-5-6、7-8-9位置测试结果,可以发现截面盐雾含量在不同宽度位置处,沿高度均呈现逐渐降低的趋势,这是由于测试截面下部与多孔注入器集气管末端对应,集气管末端静压较大,对应下部的喷射气流量较大,而气溶胶到达末端位置的过程中则会逐渐产生一定的沿程损失。测试截面沿宽度方向的盐雾含量理论上因呈现对称分布规律,实际测试结果存在偏差可能是由于加工以及测量误差累计所导致的。

表2 多孔注入器性能测试截面盐雾含量Table 2 Salt spray content of cross section in performance test of multipoint injector

2.2 混匀装置性能测试

对多孔注入器和扰流板进行组合安装,采用试验工况1环境条件进行混匀装置性能测试。扰流板安装于多孔注入器后方0.5D位置处,在扰流板后方5D位置处进行截面盐雾均匀性的测试评估。风道截面9点测试结果如图13所示。由图13可知,测试截面气溶胶粒子在不同高度和不同宽度位置的数量一致性均得到改善,对于粒径>3 μm粒子尤为明显。对测试得到不同粒径的数量浓度进行计算可得风道截面的盐雾含量,计算结果如表3所示。风道截面平均盐雾含量为832 ppb,相对单纯使用多孔注入器盐雾含量有所损失,但是混匀装置的使用大大提升了截面盐雾含量的均匀性,不同位置的含量与截面平均盐雾含量的最大偏差为4.6%,最小可达0.24%,远远高于过滤器试验检测标准气溶胶截面均匀性的要求,因此基于多孔注入器和扰流板的组合式混匀装置可以在高湿环境下大大提升盐雾气溶胶质量浓度的截面均匀性,改善发动机腐蚀敏感性试验的一致性。

表3 混匀装置性能测试截面盐雾含量Table 3 Salt mist content in section in performance test of mixing device

图13 混匀装置性能测试不同位置粒子数Fig.13 Number of particles at different positions in performance test of mixing device

采用热线风速仪,如图14所示。在扰流板后方5D位置处进行截面风速和温度均匀性的测试,测试结果如表4所示。

表4 混匀装置性能测试截面风速及温度Table 4 Cross section wind speed and temperature in performance test of mixing device

图14 热线风速仪Fig.14 Hot wire anemometer

由表4可知测试点的风速随位置的变化基本沿宽度和高度方向呈两端低、中间高的对称分布,形成这种分布的主要原因是近壁面低速区的影响,各点与平均值的最大偏差点为6.6%,因此测试位置处具有较好的截面风速均匀性;测试点的温度随位置的变化同样呈现两端低、中间高的对称分布,形成这种分布的主要原因是外界环境温度低于管路内部,近壁面由于漏热产生温度场梯度导致的。各点与平均值的最大偏差为1.7%,因此测试位置处截面温度场处于均匀分布。

3 结论

盐雾气溶胶混匀装置由多孔注入器和扰流元件组合而成。多孔注入器的结构有效地结合了多点注入和圆柱扰流的作用,实现了初始截面气溶胶浓度的快速均混,均匀度≤10%;多孔注入器与扰流元件组合后流场形成了多孔注入器后方柱状漩涡在高度方向上二次卷曲的流动形态,从而实现了风道内气溶胶双向均混的效果,进一步改善了截面盐雾浓度的均匀性,特别是对于大粒径粒子。混匀装置性能测试结果表明在典型海洋高湿微盐环境下,混匀装置在5倍风道等效直径的距离内可以实现盐雾含量的均匀性≤4.6%,风速均匀性≤6.6%,截面温度≤1.7%。