基于相变仿真技术的排气降温装置优化设计研究.pdf

第 卷 第 期 年 月燃 气 轮 机 技 术 .收稿日期:作者简介:付镇柏()男山东济宁人高级工程师博士主要从事航空发动机及地面燃气轮机试验设备研发:.基于相变仿真技术的排气降温装置优化设计研究付镇柏 李海涛 高晓会(中航工程集成设备有限公司 北京)摘 要:本文提出了一种基于相变仿真技术的排气降温装置设计优化方法 通过构建排气降温装置的几何参数化模型搭建网格生成和 仿真的自动化流程优化算法以驱动参数来实现对不同设计方案的自动寻优最终获得最优的设计方案 以国内某重型燃气轮机燃烧试验台高温排气喷水冷却装置的设计为例验证了该方法的有效性 该方法有利于降低设计门槛缩短设计时间提升设计质量关 键 词:喷水冷却蒸发相变数值仿真优化设计中图分类号:文献标志码:文章编号:()排气降温装置广泛应用于各种高温气体试验台包括但不限于燃气轮机/航空发动机燃烧试验台、固体火箭发动机地面试验台、高温燃气流风洞、环控试验台等 由于各种高温气体试验台均存在排空情况而高温气体直接排放到室外存在安全隐患通过设计排气降温装置采用喷水冷却可以将气体降低到合适的温度后再排到室外目前仿真技术已经广泛应用于排气降温装置的设计中 李彦良等采用数值仿真方法基于离散相模型对燃气冷却器内部的两相流动、传热和传质情况进行了数值模拟为喷水冷却器的雾化喷嘴设计提供指导 刘鑫鑫等采用欧拉拉格朗日多相流模型对高温气体喷水冷却过程进行数值仿真熊云等采用 、组分输运等模型对固体火箭发动机地面点火试验进行流场仿真对比和分析了喷水前后的流场图及喷水角度对出口温度的影响 黄亮以仿真计算为基础设计了水喷淋型排气降温消声器并进行了试验验证结果表明试验结果与数值模拟结果吻合良好 以上设计方法均是对已知方案进行仿真验证然后基于经验对设计方案进行修改并通过迭代仿真来满足指标要求该方法具有较高的设计门槛对人员工程经验要求较高 为此本文以国内某重型燃气轮机燃烧试验台排气降温装置设计为例提出了一种基于相变仿真技术的优化设计方法通过构建排气降温装置的几何参数化模型搭建网格生成和计算流体力学()仿真的自动化流程通过优化算法驱动参数实现对不同设计方案的自动寻优从而验证方法的有效性 相对于传统设计方法该方法具有如下优点:)有利于降低设计门槛减少对设计经验的要求)有利于缩短人工设计时间当搭建完优化设计流程后整个优化设计过程完全由计算机自动实现不需要人工干预)有利于提高设计质量通过优化算法自带的优化逻辑可以实现设计方案的最优化 物理模型国内某重型燃气轮机燃烧试验时排空气体最大压力为.、最高温度为 、最大流量为/由于气体温度较高在排出大气前需要经过降温装置以降低至合适的温度 图 是根据燃烧试验室排空气体参数及试验台布局设计的高温气体喷水冷却即排气降温装置 该装置由装置本体、三段喷水冷却、冷却水套和内衬套组成 由于布置了冷却水套可大幅降低装置本体的工作温度因而装置本体可以采用耐温偏低的不锈钢 内衬套与第 期付镇柏等:基于相变仿真技术的排气降温装置优化设计研究高温燃气直接接触温度较高并且内衬套作为耗材需要经常更换须要短期内承受 以上高温因而采用 高温合金 第一级喷水冷却从入口法兰 个管路径向流入并对法兰内壁面环形冷却后从内壁面小孔喷出 第二级喷水冷却和第三级喷水冷却结构相同均采用喷水杆结构每个喷水杆上布置多个喷水孔喷水杆周向均匀布置第二级和第三级喷水装置周向错列排布 在整个排气管路上共安装两套排气降温装置串联安装对高温气体进行分级冷却 第一级降温装置的设计目标是在距离装置下游 米处平均温度低于 第二级降温装置的设计目标是在装置下游 米处平均温度低于 另外要求高温燃气接触壁面的温度在材料的许用温度范围内冷却水回路中不发生水汽化现象第一级喷水冷却第二级喷水冷却第三级喷水冷却高温合金内衬套冷却水套装置本体图 排气降温装置示意 数值仿真方法.多相流模型选择采用多相流数值仿真时存在相间作用、相间平衡等复杂现象单相流动的数值仿真计算方法不能很好地模拟多相流动 目前用于研究多相流动的模型可以分为两大类:欧拉拉格朗日模型和欧拉欧拉模型根据物理问题需要本文采用欧拉欧拉模型进行数值仿真 相对于欧拉拉格朗日模型该模型更加准确可以考虑空气水的相互作用同时对离散相的体积分数没有限制 另外由于本文研究的排气降温装置中喷淋水既作为相变工质对高温气体进行蒸发冷却又起到了部分冷却作用可以对法兰内壁面进行冷却 而在冷却通道内喷淋水是不能采用离散相模拟的原因是冷却通道内喷淋水的体积分数为 不满足离散相模型的基本要求(体积分数小于).蒸发相变方程由于本文的物理过程主要涉及水的蒸发和冷凝因而采用最广泛适用的热相变模型通过相交界面流向液体相的热量为:()()通过相交界面流向蒸汽相的热量为:()()式中:是通过相交界面流向液体相的热量是通过相交界面流向蒸汽相的热量为相交界面的面积为相间的输运质量和 分别为液体相和蒸汽相的热交换系数和 分别为液体相和蒸汽相的焓值和 分别为液体相和蒸汽相的缩放因子默认均为 和 分别为液体相和蒸汽相的温度为考虑热平衡的相交界面的温度在忽略表面张力的情况下等于饱和温度 根据能量守恒有:()根据式()()可以推导出相间的输运质量为:()()().蒸发相变模型的验证为了验证.节蒸发相变模型的精度采用文献提供的喷管闪蒸算例对模型精度进行验证图 是喷管的结构模型采用轴对称结构总长度为 喷管不同长度位置截面的直径分布见表 图 喷管的结构尺寸(单位:)表 喷管不同轴向位置截面的直径分布轴向位置坐标/截面直径/.喷管内工质为水入口压力为 入口温度为.出口压力为 本文基于 软件的二维轴对称模型对三种不同疏密燃气轮机技术第 卷程度的结构化网格进行数值验证网格数分别为、和 图 是中心线上水蒸气的体积分数分布和压力分布与试验结果对比 从中可以看出三套网格的结果非常接近并且中心线上的水蒸气体积分数仿真结果与试验结果吻合较好仅在出口处有一定差距 中心线上压力分布在喉道以前的仿真结果低于试验结果喉部位置处压力最低点的仿真结果比试验偏高这可能与数值格式算法的精度有关 总体来说仿真与试验结果吻合较好说明本文的蒸发相变模型可以满足排气降温装置仿真的精度要求()水蒸气的体积分数分布()压力分布图 中心线上试验与仿真结果对比.网格划分为了准确、完整地模拟空气和水的混合、水的蒸发相变以及水和空气与固体传热的全过程本文采用了三维计算网格 计算网格如图 所示采用了非结构的多面体网格可以减少网格数量 由于边界层对热耦合分析的精度影响很大因而沿壁面布置了 层边界层网格并且指定壁面第一层网格高度为.以保证壁面的 均小于 考虑到优化设计过程中重点对比不同方案下数值结果没有进行网格无关性验证 尽管如此由于计算网格的总数较大并且对物理量梯度较大区域进行了局部加密因而当前网格量能够满足计算的精度要求最后生成的网格如图 所示 整个计算域网格单元约为 万网格节点数约为 万图 计算网格.仿真实现边界条件设置如下:高温气体排放管路入口边界为空气单相采用质量流量入口条件出口边界为空气、水两相采用压力出口条件 喷淋水入口边界为水单相采用流量入口条件 冷却水入口也采用流量入口条件冷却水出口采用压力出口条件背压为.冷却水和喷淋水的温度均为 需注意的是由于高温气体入口压力为.质量流量入口条件无法设定压力考虑到管路内流阻较小可以忽略不计可将背压设置为.优化设计方法.优化设计流程本文以图 所示的第一级降温装置的优化设计为例详细介绍优化设计流程 图 是基于相变仿真技术的排气降温装置优化设计流程 首先建立排气降温装置的几何参数化模型主要目的是便于优化算法通过参数来驱动模型生成然后搭建网格划分和 仿真的自动化流程实现对几何模型的自动网格划分和 求解进而将仿真结果作为优化目标提供给优化算法优化算法会根据前一轮仿真结果自动寻找可能满足优化目标的新的设计变量组合如此循环迭代直到找到最优解为止.几何参数化图 是使用 软件建立的排气降温装置的参数化模型主要通过 脚本记录了几何建模的全过程通过对脚本中的参数进行修改来实现对几何模型的参数化调用.自动化流程自动化流程是实现优化设计的关键 在几何参数化建模阶段通过修改并调用 脚本可以实现对几何模型的自动输出 在网格划分阶段使用 软件划分多面体网格通过修改并调用 软件的 和 脚本可以第 期付镇柏等:基于相变仿真技术的排气降温装置优化设计研究图 优化设计流程图图 排气降温装置的几何参数化模型实现对网格划分参数的修改和自动化网格生成 在 求解方面使用 软件进行仿真通过修改并调用 软件的 脚本可以实现 求解和结果后处理的自动化 最后通过批处理命令实现对上述软件的顺序调用.设计变量本文采用最常用的 优化算法设计变量包括:)第一级、第二级和第三级的喷淋水流量、喷淋孔孔径和喷淋孔孔数)第一级和第二级喷淋水间距)冷却水套的结构类型.约束条件在工程实践中对排气降温装置进行设计往往受到多个因素的制约在实施优化过程中这些制约因素就是优化的约束条件 本文的约束条件主要有两个分别是:)高温燃气接触壁面的温度在材料的许用温度范围内)冷却水回路中不发生水汽化现象.优化目标本文的优化目标为一个在实施过程中对优化目标进行了归一化 优化目标为:装置下游 米处平均温度最小化(设计要求不高于 )优化设计结果与分析本次优化设计采用 优化算法种群规模为 代数为 共计迭代了 个设计方案最终获得满足设计要求的优化方案 表 列出了原始方案与优化方案的设计参数对比 从中可以看出相对于原方案优化方案的喷淋水流量更低相应地下游 米处的平均温度也有所提高但满足设计要求 另外各级的孔径和孔数也有了较大变化并且第一级与第二级喷淋水轴向间距比原始方案缩短了 原方案的燃气接触面最高温度较高远远超出了高温合金的承受温度并且冷却水发生汽化这是设计中要严格避免的 而优化方案的各项优化指标均满足设计要求表 原方案与优化方案的设计参数对比方案第一级喷淋水流量/()第一级喷淋水孔径/第一级喷淋水孔数/个第二级喷淋水流量/()第二级喷淋水孔径/第二级喷淋水孔数/个第三级喷淋水流量/()第三级喷淋水孔径/第三级喷淋水孔数/个第一级与第二级喷淋水轴向间距/燃气接触面最高温度/冷却水是否汽化下游 米处平均温度/原方案.汽化优化方案.不汽化 图 是高温燃气接触壁面温度云图对比 可以看出原方案的壁面温度最高达到 并且最高温度区域覆盖面积很大主要原因是第一级喷淋水在内壁面环形通道内已经发生汽化导致内壁面局部温度较高这与第一级喷淋孔孔数较少有关优化方案则对喷淋孔孔数进行了较大调整使得内壁面环形通道得到了较好的冷却 另一方面原方案的第一级和第二级喷淋段的轴向间距较长导致两个喷淋段之间有较大的最高温度区域 优化方案则对两级喷淋段轴向长度进行了调整使得两级区域内的温度更加均匀并且最高温度区域较小最终优化方案的内壁面最高温度仅为 可以满足高温合金短暂承热的要求图 是冷却水套壁面温度云图对比 可以看燃气轮机技术第 卷()原方案()优化方案图 高温燃气接触壁面温度云图对比出原方案冷却水套内壁面最高温度达到 由于冷却水的压力为.对应的饱和温度为 因而原方案的冷却水局部会发生汽化 相比之下优化方案冷却水套内壁面最高温度仅为 远低于冷却水的饱和温度不会发生汽化相对于原方案优化方案的冷却水套结构做了如下调整:)对冷却水套的流道进行了优化)增加纵向隔板图 是试验台在经过调试验证后排气降温装置燃气侧的实际形貌 除了水中矿物质产生的沉淀物外高温合金内衬套表面状态良好未出现明显烧蚀、裂纹等失效状况 该结果表明排气喷水降温装置可以保证排气管段在高温条件下安全工作并将排气温度降低到合理水平 结论本文针对排气降温装置的设计提出了一种基于相变仿真技术的优化设计方法并采用该方法对国内某重型燃气轮机燃烧试验台排气喷水冷却装置()原方案()优化方案图 冷却水套壁面温度云图对比图 调试后喷水降温管道燃气侧形貌进行了详细的优化设计工作 设计结果表明:()第一级喷淋水孔径从.降低为 孔数由 增加为()第二级喷淋水流量从 /优化为 /孔径从.优化为.()第三级喷淋水流量从 /优化为 /孔径从.优化为.()第一级与第二级喷淋水轴向间距从.优化为.()排气管道下游 米处平均燃气温度为 满足不高于 目标要求第 期付镇柏等:基于相变仿真技术的排气降温装置优化设计研究参考文献:孟刚赵聪聪孙用军等.国外航空发动机燃烧室试验器综述.燃气涡轮试验与研究():.罗智锋刘重阳黄治国等.重型燃气轮机燃烧室全温全压排故试验.燃气涡轮试验与研究():.:./:.:.熊云左红星李广武等.喷水角度对高温燃气冷却效果影响的数值仿真研究.弹箭与制导学报():.李彦良张喦曹知红等.大温差高速燃气喷水冷却器喷嘴阵列设计.工程热物理学报():.刘鑫鑫李德庆崔燚.高温气体喷水冷却过程数值仿真研究.航空计算技术():.黄亮.水喷淋消声器排气冷却效果及阻力特性仿真研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.:.():.:.():.(.):.().: