波瓣喷管结构参数对引射混合器性能影响的数值研究

作者:单勇;张靖周 刊名:航空动力学报 上传者:周虎

【摘要】通过三维CFD数值计算,研究了波瓣喷管几何结构参数对波瓣喷管引射-混合器的影响规律。计算结果表明:瓣宽增加导致引射流量和波瓣出口处速度环量减小,热混合效率降低,但可以减小混合流动损失,提高总压恢复系数。波瓣扩张角的改变,对引射流量的改变因不同混合管尺寸而异,在混合管直径较小时,随着波瓣扩张角在20~°90°范围内增大,引射流量呈先增加后减小的趋势;在混合管直径较大时,引射量持续提高。扩张角的增加可提高速度环量,但是流动混合损失增加,总压恢复系数减小。

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波瓣喷管引射-混合器具有高效的引射掺混能力,能使得主、次流在较短的距离内得到充分混合,在航空发动机上具有广泛的应用,诸如垂直/短距起飞着陆飞机的起飞增推,排气系统的尾焰红外辐射抑制以及噪声降低等[1~3]。由于其特有的几何形状,在波瓣喷管尾缘诱导大尺度的、沿流向发展的二次环流阵列,使得两股气流形成对流型的混合[4~6]。因此波瓣喷管几何结构参数的改变势必对引射混合器性能产生影响。对于波瓣喷管引射-混合器的性能已经开展了大量的实验和数值研究,揭示了波瓣喷管强化掺混的机理和诸多参数的影响规律。Skebe等[7]曾对高幅正弦、低幅正弦和拱门形三种形状的波瓣结构进行实验研究,对比结果显示拱门形波瓣的性能最好;张靖周等[8]通过数值计算得到了波瓣尾缘速度环量和总压恢复系数随波瓣瓣高和瓣长的变化关系。但上述研究都是针对波瓣强迫混合器的,对于波瓣喷管引射混合器,几何结构参数的影响研究尚不充分[9,10]。本文作者曾经基于Fluent-CFD软件对三维波瓣喷管引射-混合器的流场和引射特性进行了数值研究[11],与实验结果的验证表明计算方法是合理的。在此基础上,本文通过改变波瓣喷管几何结构参数,分析其对引射混合器性能的影响。1数值研究1.1计算模型考虑到计算模型是中心对称结构,其对称面如图1所示,计算时只采用了一半区域。主流进口直径为150mm,经一收缩段与直径为80mm的波瓣喷管联接,12个波瓣沿周向均布。引射气流入口在集气室上、下方各布置一个,入口直径分别为80mm和100mm。考虑到波瓣喷管的复杂型面以及三维模型的复杂结构,计算中采用非结构化网格,在波瓣喷管内部及其外侧和混合管内部采用局部加密网格,整个计算区域的网格数为884522。如图1所示,波瓣喷管共12瓣均匀分布,呈拱门形。在不改变波瓣出口高度h(27mm)的条件下,通过改变长度lb,得到4个不同波瓣扩张全角(23,38.5,50,90)。在不改变波瓣出口高度h(27mm)和扩张全角(23)的条件下,改变瓣宽b分别为4.8mm,7.2mm,10.8mm。在同一波瓣宽度和波瓣扩张角的条件下,改变波瓣喷管出口后的混合管参数进行计算。混合管的尺寸分别为:混合管1(直径125mm,长度125mm);混合管2(直径137mm,长度37mm);混合管3(直径147mm,长度147mm)。图1波瓣喷管引射混合器结构示意Fig.1Schemeoflobedmixer-ejector1.2边界条件及计算方法由于二次流依靠主流的动量驱动,二次流入口难以给定速度边界条件。考虑到外部环境的大气压力是一定的,二次流入口处的总压便可设定为环境大气压力101325Pa,温度为环境温度300K。在初始计算时,按照进口速度为5m/s假定一个均匀的进口静压,通过迭代计算对静压值进行修正,同时对进口速度进行修正。主流入口处采用速度进口边界,主流速度Up取为21m/s,温度620K;混合管出口采用压力边界条件,静压设为环境大气压力,其它变量按沿流向偏导数为零处理。本文采用标准紊流模型,主流和二次流入口处的紊流动能和紊流动能耗散率按照经验关系选取[12]:kin=0.03ui2n,in=k1i.n50.005D这里:D为对应于主流和二次流入口的管道当量直径,近壁区采用标准壁面函数法进行处理。对称面除周向速度设置为零外,其它变量按沿周向偏导数为零处理。流动与传热的控制方程采用一阶迎风差分格式离散,压力与速度耦合采用SIM-PLE算法。收敛精度为1-05。迭代收敛后,对二次流入口的质量流量进行积分,最终确定引射流量比:=ms/mp,ms为二次流质

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