周向平均方法在某风扇∕增压级分析中的应用

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252014V01．35No．1132—140ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．CR周向平均方法在某风扇／增压级分析中的应用万科，朱芳，金东海，桂幸民*北京航空航天大学能源与动力Z-程学院航空发动机数值仿真中心，北京100191摘要：通过对三维(3D)Navier—Stokes方程进行周向平均，得到了通流模型的控制方程，对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实

2、现风扇／增压级在设计初期的快速性能评估，考察了周向平均方法在风扇／增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型(CAM)对某高通流风扇／增压级进行了性能分析，从对比结果来看，周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数，最大误差不超过2．0％。在风扇转子中，由于周向平均通流模型能捕获通道激波，其物理本质与三维平均结果有所区别，因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。关键词：通流模型；周向平均；风扇／增

3、压级；性能；数值模拟中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)01—0132—09在现阶段风扇／压气机设计中，全三维(3D)Navier—Stokes方程得以广泛使用。然而在设计的初级阶段，为快速获得风扇／压气机的性能及内部流动特性，通流方法仍具有重要作用[1。2]，它是现代航空叶轮机设计的支柱，同时也是设计者最为重要的设计工具[3。4]。Spurr[51于1980年提出了基于Euler方程的时间推进通流模型，与传统的流线曲率通流模型相比，具有捕获激波及堵点流量的特性，同时，采用时间推进方法使其本身

4、具备非定常性。之后，Baralon等[61将叶型损失和落后角引入到Euler通流模型中，使其与真实三维黏性流动更加接近，所得计算结果与实验结果差别较小。本课题组李晓娟博士也采用Euler通流模型对某风扇／N压级的性能特性进行了计算，通流计算结果与三维数值模拟结果相比吻合较好L7j。而Euler通流方法的缺点是未引入环壁边界层而只采用滑移边界条件。为了使通流计算与实际情况更好地吻合，基于Navier—Stokes方程的周向平均通流方法被提出[8]。通过对某高负荷跨声单级风扇、某子午加速风机以及某高负荷跨声双级风扇等研究表明，基于Navi

5、er—Stokes方程的周向平均通流模型(CAM)计算的子午流场和径向参数分布与三维结果十分相似，与Euler通流相比，环壁边界层的计人使特性线向小流量方向移动，在壁面附近的径向参数分布更为接近三维数值模拟结果[9]。周向平均通流模型的另一个重要作用是可以用于发动机整机的数值仿真或初步设计，现阶段，采用三维数值模拟方法对发动机整机进行计算是不现实的，因此，降维方法具有重要意义。与传统的一维设计不同，周向平均通流可实现发动机各部件间的流场匹配，从而最终实现发动机整机稳态数值仿真及过渡态仿真[10

6、。随着商用航空发动机高推重比、低耗油率的

7、需求，高通流压气机设计成为至关重要的一收稿日期：2013—04-09；退修日期：2013-05-01；录用日期：2013—07—04；网络出版时间：2013．07—1511：05网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detaU／11．1929．V．20130715．1105．004．html基金项目：国家自然科学基金(50736007，51006005，51236001)*通讯作者．Tel：010—82339387E-mail：guixm@buaa．edu．crl引用榕武；WanK，ZhuF，J{nDH，etal．Applic

8、ationofcircumferentiallyaveragedmethodinfan／booster[JJ。ActaAeronauticaetAstronau．ticaSin『ca．2014．35(1)：132—140．万科。朱芳．金东海．等。周向平均方法在某风扇／增压级分析中的直用[JI．航空学报。2014，35(，)：132-140．万科等：周向平均方法在某风扇／增压级分析中的应用环口1

9、。本文采用基于Navier—Stokes方程的周向平均通流模型对某高通流风扇／增压级进行数值计算，并与三维数值模拟结果进行比较。从近设计点计算

10、结果来看，周向平均通流模型与三维数值模拟结果十分接近，且在参数的径向分布上能体现出三维特征。l周向半均通流模型在相对柱坐标系中，对Navier—Stokes方程进行周向平均m]，可得到通流模型的主控方程为罢+i1．兰[6