超声速转子叶片非定常引射器流场特性数值模拟-论文.pdf

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1、第２６卷第３期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３２０１４年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１４超声速转子叶片非定常引射器流场特性数值模拟丛成华１，２，彭强１，２，易星佑２，郑娟２（１．空气动力学国家重点实验室，四川绵阳６２１０００；２．中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所，四川绵阳６２１０００）摘要：采用计算流体力学方法，结合适当的边界条件，对超声速转子叶片非定常引射器进行了模拟。从结果可以看出：此类引射器内流态复杂，主气流出口斜激波干扰

2、现象明显，叶片设计参数对引射器性能影响很大。叶片尾部的膨胀波有效诱导了被引射气流，在短距离内增强了气流混合，湍流效应对引射器性能的影响较小；叶片可维持自旋转，提升叶片转速可增强引射效率。最后，对引射器内的流动机理进行了探讨。关键词：非定常引射器；流场特性；叶片；压力交换；计算流体力学中图分类号：Ｖ２１１．３文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０３９００１引射器是传递能量的一种流体机械装置，它依靠高压流体形成的高速射流引射低压流体，并在装置中进行动量交换，传统定常引射器的能量转

3、换取决于粘性剪切混合。近年来，提出了利用非定常流动压力交换原理来提高引射器效率的概念，称之为压力交换引射器，在实际工程应用中，主要用于提高气流的混合。其工作原理与传统引射器有很大区别，它利用高压流体的不断膨胀来压缩低压流体，在流动通道内通过气波（压缩波和膨［１］胀波）来传递能量，其工作过程是可逆和等熵的。压力交换引射器可以通过结构的合理设计，巧妙利用两种［１］不同能量流体间直接接触产生的气波，实现能量在两种流体间传递，因而具有更高的效率和更加紧凑的结［２］构。Ｓｃｏｔｔ的研究表明，压力交换引射器能显著

4、增加引射气流与被引射气流的混合。以Ｇａｒｒｉｓ为代表的乔［３］治华盛顿大学先提出了无轮毂旋转引射器，后来则致力于超声速转子叶片压力交换引射器的研究，分析了［４１０］引射气流与被引射气流之间的能量交换过程。该引射器主要由转子和楔形叶片组成，结构简单。转子安装在轴承上，几乎无任何摩擦，由于转子叶片是倾斜的，因此转子可高速自由旋转，两种气体在转子通道中进行直接接触并迅速完成传递能量，瞬态响应快。他们先后通过试验和数值模拟研究了引射器内部构造对性能的［４１０］影响，尤其是叶片转速、数量、形状和偏转角以及

5、引射气流与被引射气流入口面积比对流动的影响等。国内，在传统引射器方面已建立了较为适用的等压混合引射器性能计算分析与工程设计方法，详细分析了［１１］等压混合引射器各主要参数对性能的影响，并经过了试验验证。近年来，国内在新型引射器研究方面取得［１２］［１３１４］了一些成果，包括超超引射器以及基于压力交换的能量回收装置、制冷装置等。但在压力交换引射器领域尚属空白，通过试验进行原理性研究的花费将是巨大的，而数值模拟提供了灵活有效的手段，能提供完备的三维数据流场和局部流动细节，快捷改变结构，研究结构参数对流

6、动特性的影响。本文借鉴国外研究成果及经验，采用计算流体力学（ＣＦＤ）方法进行数值模拟，分析超声速转子叶片压力交换引射器（下文简称引射器）内的气流特性，探索其流动机理。１引射器设计与数值方法１．１气动建模与网格引射器示意图如图１所示，引射气流入口直径为０．１ｍ，被引射气流入口外径为０．３ｍ，引射气流出口处圆锥顶角为４０°，叶片安装角为２０°，叶片前缘夹角为４０°。其他参数可参阅文献［８］。建模时以气流流向为狕轴建立右手坐标系，入口圆锥顶点处定义为坐标原点。采用结构网格，使用层流模型计算时边界层未进行加

7、密，网格规模１３万左右；使用湍流模型计算时边界层进行加密，壁面处网格确保狔＋＜３０，网格规模为３８万左右。由于流场中存在较大的间断，为提高流场分辨率，采用了网格自适应，层流模型时网格单元限制在５０万，湍流模型时网格单元限制在１００万，网格拓扑如图１所示。收稿日期：２０１３０７２０；修订日期：２０１３１１１３基金项目：空气动力学国家重点实验室基金项目（ＳＫＬＡＪＢＫＹ１１０４０４０１）作者简介：丛成华（１９７９—），男，硕士，助研，从事计算流体力学、风洞气动设计及流动控制研究；ｃｃｈ＿ｓｄ＠

8、１６３．ｃｏｍ。０３９００１１强激光与粒子束1.2控制方程由于压力交换是等熵的可逆过程,数值模拟中并没有考虑剪切应力、粘性或湍流引起的非可逆变化过程,采用层流进行计算。控制方程使用N-S方程,矢量形式的连续方程、动量方程和能量方程为ìï1Dρ+∂ivi=0ïρDtïïDviíρ=-∂pi+∂jτji(1)ïDtïDeïρ=-∂pi+τij∂jviîDtFig.1Sketchmapandgird式中:ρ为密度;v为速度;p为压力;τ为切应力;e为能量;t