带旋转孔容腔瞬态演化与建模方法研究

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1、2017年9月北京航空航天大学学报Septembe，2017第43卷第9期journal。fBeijinguniversity。fAeronauticsandAstronauticsv。1．43N。．9========================================：=：：：：=：：：==：=http：／／bhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0689带旋转孔容腔瞬态演化与建模方法研究丁水汀，蒲俊宇，邱天+，于航(北京航空航天大学

2、能源与动力工程学院，北京100083)摘要：旋转孔与腔组成的孔腔系统为航空发动机空气系统的重要组成部分，其瞬态响应过程可能诱发短时危险过渡态载荷。为研究旋转孔腔的瞬态演化规律，以旋转孔前的容腔为研究重点，建立了带旋转孔的容腔CFD计算模型，分析了孔腔系统的瞬态演化过程，并基于旋转孔的稳态流动特性建立了带旋转孔容腔的瞬态1．D模型，对瞬态演化过程进行了仿真。通过对比瞬态1一D模型的结果和CFD结果，发现采用前者能基本模拟容腔的瞬态演化过程，基本满足工程需要，并完成了瞬态1一D模型结果产生偏差的原因分析。关键词：空气系统；旋转孔腔；1一D模型

3、；瞬态演化；流量系数中图分类号：V233．5文献标识码：A文章编号：1001-5965(2017)09—1721—11空气系统是保证发动机正常工作的重要组成部分，主要承担发动机冷却、封严、轴向力调整等任务。由于空气系统内部结构复杂，往往有大量的腔室和节流元件等结构，其内部的流动也比较复杂。发动机快速机动过程中的瞬时载荷⋯或运行过程中出现突发性失效，都可能造成空气系统内出现强瞬态过程，此时容腔的容积效应以及内部流动的复杂性，可能诱发短时的危险过渡态载荷，给发动机的安全性带来隐患“1。因此，为了保证发动机过渡过程的安全性，需要在原有稳态网络法

4、基础上，建立瞬态网络模型对空气系统的瞬态响应过程进行仿真。当前对于瞬态空气系统低维建模的研究中，开始考虑了腔室结构的容积效应对卒气系统瞬态响应的影响“1。但是对于小孔结构，南于其结构尺度较小，通常认为其流动没有明显的瞬态效应，因此在瞬态空气系统低维模型中，孑L结构采用稳态特性处理¨。。但是在处理瞬态空气系统过程中，还没有对孔与腔结构进行单独的部件瞬态响应研究，瞬态腔体的低维特性与稳态孔的低维特性耦合过程中可能产生较大的误差。本文建立了带前腔的旋转孑LCFD计算模型和基于稳态孔特性的孔腔系统瞬态1-D模型，重点研究以旋转孔为出口的容腔的瞬态

5、响应过程。通过计算2种瞬态边界条件的瞬态响应过程，得到了瞬态1一D模型与CFD计算模型的结果对比，发现瞬态过程中，瞬态1一D模型整体卜与CFD的结果相吻合，说明采用稳态孔特性建立低维瞬态模型的思路基本可行，但是孔在瞬态过程中的进气条件相对于稳态有一定的区别，当腔内流动出现较为强烈的瞬态效应时，可使孔的进气条件m现较大变化，此时采用集总方式处理的腔无法为旋转孔提供准确的进口条件，导致瞬态1一D模型的仿真结果会有短时的较大误差，当该误差不满足工程要求时，则需要对瞬态1一D模型进行进一步的优化。1孔特性处理方法当前对于孔特性的研究，常采用流量系

6、数描收稿日期：201608-29；录用日期：2016—1209；网络出版时间：2016—12—1318：16网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／112625．V．20161213．1816．002．html基金项目：航空发动机复杂系统安全性教育部长江学者创新团队(IRT0905)；中国博士后科学基金(2016M591047){通讯作者：E—mail：qiutian@buaa．edu．cn子f用格式：丁水汀，蒲傻字，邱天，等．带旋转孑L客腔驿态演化与建模方法研究“j北京航空航天大学学报，2017，43f9)：J721

7、1731．DINGST，PUjY．QIUT，cta1．Researchontransientevolvementandmoilingmethodofcavitywithrotatingorificesej1JournalofBeltingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2017，43(9)：1721-1731(inChlnese)1722北京航空航天大学学报2017年述孔的流动特性，其定义为孑L实际流量与理论流量之比∽1：c，：罢(1)”mId式中：茄为实际流量；茄。。为理论流量；C。为孔的流

8、量系数。实际流量由试验测量所得，理论流量由一维等熵绝热方程计算获得，计算公式为．Pot,oA，nid2——====~／R％。，(2)式中：R为气体常数；K为气体比热比；To。为孑L进口总温；p