压气机进气畸变数值模拟技术研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaSep．252012V01．33No．91624-1632ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaaeduCFI文章编号：1000—6893(2012)09—1624—09压气机进气畸变数值模拟技术研究安玉戈，刘火星*北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力科技重点实验室，北京100191摘要：发展了一种针对进气畸变条件下的风扇／压气机进行性能预估和稳定性分析的计算方法。首先研究了将叶片作用力简化为体积

2、力源项的建模方法，在此基础上开发出一套基于体积力的三维进气畸变数值模拟程序，使用该程序对NASARotor35在均匀进气、进口存在稳态总压畸变及同时存在总压和总温畸变的流场进行了模拟分析。结果表明，该程序获得的压气机特性及参数分布与雷诺平均Navier—Stokes(RANS)计算吻合得很好，同时正确地模拟出了压气机转子与上游畸变来流的耦合作用及其对压气机性能和稳定工作裕度的影响。关键词：航空航天推进系统；风扇／压气机；进气畸变；体积力模型；稳定性中图分类号：V231．3；V231．1文献标识码：A在飞机实际飞行过程中，机动飞行、发射武器和进气道不起动等工

3、况都会造成压气机进口流场发生畸变，使其压比、效率和稳定裕度下降，影响发动机的正常工作和飞行安全。未来发动机越来越高的性能指标对压气机的失速裕度提出了更高的要求[1]，要求设计者在设计阶段就考虑兼顾压气机的性能和抗畸变能力。20世纪70年代有学者基于无黏和不可压缩假设，采用将流动控制方程线性化的方法研究进气畸变对压气机的影响I。“，这些研究揭示了上游畸变流场和压气机转子之间有着强烈的耦合作用，这种耦合作用引起的流场参数再分布的规律以及畸变流动的大尺度扰动特性。然而由于做了较多简化，这些理论与工程实际还有相当大的距离，于是随着技术的发展研究者们先后提出了平行压

4、气机模型16]、激盘模型[7]、周向平均体积力模型、黏性体积力模型以及全环非定常雷诺平均NavierStockes(RANS)等方法来模拟畸变流动。平行压气机模型口]将压气机沿周向分成若干个独立运行通过边界条件相联系的一维子压气机；激盘模型173将叶片排对流体的作用集中在一片没有厚度的激盘上。它们都对实际的三维流动做了适当的降维处理，往往无法准确刻画叶片通道中影响畸变特征的复杂流动。近些年来计算机技术的发展使对压气机进行全环非定常数值模拟一8。。一成为了可能，但该方法动辄占用数百颗CPU计算几周时间，显然是一般工程设计所无法接受的。周向平均体积力模型和黏性

5、体积力模型都采用源项来模拟对计算量消耗较大的叶片力，通过求解三维Euler方程来模拟畸变流场。这两种方法对计算资源的需求ql曼d,，并契合了压气机进气畸变大尺度的特征，可以较好地刻画出进气畸变在叶轮机械内部的传递。它们的不同在于周向平均体积力模型将叶片的所有作用力均以源项的形式加入流场，而黏性体积力模型在计算过程中计入叶片的形状，仅仅将黏性作用通过源项的形式加入流场，计算量比周收稿日期：2011—10一14；退修日期：2011—12—09；录用日期：20¨一12—23；网络出版时间：2011—12·2818：18网络出版地址：WWWcnkinet／kcms

6、／detail／111929V201112281818．008html基金项目：国家自然科学基金(51106004)*通讯作者Tel：010-82316418E—mail：liuhuoxing@buaaeduC13引穗格武；AnYG，L{unxNumericals{mu

7、ationofcompressorwithinletdistortion．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2012，33(9)：1624—163．2安玉戈，胡火星压气机进气畸变数值模拟技术研究航空学报，2012，33(9)：1524·f632．安玉戈

8、等：压气机进气畸变数值模拟技术研究向平均体积力模型高出一个量级。Gong¨叫采用周向平均体积力方法将叶片的作用力分解为升力系数和阻力系数作为源项模拟畸变流场；Hale和0’Brien[1妇将叶片作用力分解为压力项和惯性项作为源项对进口稳态畸变加以模拟；Chima[】2]将叶片作用力分解为与相对速度垂直的非耗散部分和平行于相对速度的耗散部分作为源项建立了一套压气机稳定性计算程序CSTALI。。国内郑宁。1胡采用周向平均体积力模型模化叶片作用模拟畸变流动，获得了畸变流动的主要特征。Xu[】4]采用黏性体积力模型作为研究手段，从单通道RANs计算结果中提取叶片表

9、面的摩擦系数，以源项的方式加入Euler方程求解代替黏性力，成功地