畸变进气条件下风扇三维非定常流动数值模拟

　　引　言

　　众所周知,进口畸变不仅会导致风扇/压气机的压比和效率下降,而且还会降低风扇/压气机的失速裕度,使其失稳点大为提前。因而开展进气畸变对风扇/压气机性能和稳定性影响的研究就显得极为重要。

　　目前,对于畸变进气条件下压缩系统的性能和稳定性分析,工程中应用得最广泛的数学模型就是平行压气机模型。该模型认为一个压缩系统可以分成若干个相互独立的子压气机,每个子压气机所使用的级特性是一样的,并且认为每个子压气机出口的静压是相同的。对于进口不同的总压或总温的区域,看作是不同子压气机,并认为只要其中的一个子压气机出现旋转失速或喘振,就认为整个压气机发生旋转失速或喘振[1~2]。该预测模型的主要缺点是没有考虑各子压气机之间的质量、动量和能量的传递。针对这个缺点,许多研究者对平行压气机模型进行了修正,以便考虑在不同子压气机之间的质量传递、动量传递和能量传递[3~4]。由于这些修正是基于经验和半经验的公式,因而不能足够精确地描述各个子压气机之间的质量传递、动量传递和能量传递。

　　因此,发展全三维的风扇/压气机流动数学模型,在全三维的模型基础上研究畸变进气条件下的发动机压缩系统的性能和稳定性就成为当前压缩系统研究的重点方向[5~8]。本研究以三维无粘流动运动基本方程———Euler方程为基础,将压气机叶片对气流的作用作为Euler方程的源项,建立了一种分析风扇/压气机全三维流动性能和稳定性的数学模型和计算方法,该模型彻底抛弃了传统的平行压气机模型,能够真实地反映出进气畸变流场在风扇/压气机内的三维传递过程。重点介绍了该模型的数学模型和计算方法,并以NASA-67转子为对象,给出了采用该模型所预测的风扇性能的结果,并与实验数据进行对比。

　　1　理论模型和计算方法

　　在进气畸变条件下,轴流风扇/压气机内部流动过程的三维计算系统如图1所示,该计算系统的核心是一个将叶轮对流体作用作为源项考虑的全三维无粘性非定常流场计算程序(Turbo3D),叶轮对流体的作用按半激盘理论进行考虑,并采用流线曲率法来进行计算。

　　叶轮机对气流做功的源项通过流线曲率法来进行计算。在一般情况下,流线曲率法使用进口的总温、总压、气流角、质量流量和零曲率作为进口边界,使用零曲率作为出口边界。在本研究的数学模型中,流线曲率法仅限于叶片前后很小的计算区域,这时在进出口边界中再采用零曲率就不再合适,而必需采用当地计算站的曲率,亦即需要对传统的边界条件进行修改,修改后的边界条件如图2所示。从图中可知,在每一次迭代的过程中,流线曲率法所使用的进出口边界条件可立即通过三维求解器的瞬时流场来获得。