基于Fluent的进气流量校准试验装置扩压段设计_曹庆宇.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：基于Fluent的进气流量校准试验装置扩压段设计曹庆宇，李艳军，刘哲，秦峥嵘，尹东（中国航发沈阳发动机研究所,沈阳 110015）0引言发动机进气流量是评定发动机性能的重要参数，获得准确的发动机空气流量值才能准确评价发动机的性能、安全性等技术指标，为获得空气流量的准确数值需对发动机进气流量管进行精确的实流校准试验。进气流量校准试验装置用于对航空发动机进气流量管进行精确的流量标定，扩压段作为进气流量校准试验装置的重要组成部分，位于稳压段前、被校准流量管后，稳压段内设置文丘里喷嘴用于对流量进行精确测量，如图1所示。文丘里喷嘴前流场应较为均匀以便全部喷嘴同时达到临界状态，保证流量测量的精度。气流被校准流量管从大气吸入，经过扩压段扩大流道面积，降低流速至试验要求的15m/s以下，再经过整流装置将减速后的气流整直、均压，流经前稳压段及文丘里喷嘴组等管段，通过抽吸装置排出。扩压段扩张角过大将导致内部流场气体分离，进而导致压损增加、流场均匀性变差，扩张角变小会使扩压段总长增加、经济性变差、占用空间变大1-3。大扩张角扩压段的设计需通过设置合适的导流装置，使其气动性能满足要求。本文以某进气流量校准试验装置为例，利用Fluent软件对不同扩压段方案进行仿真计算，对比其测量截面的流场性能指标，评估最优的设计方案4-5。1设计要求及扩压段数理模型受试验场地空间、被校准流量管尺寸限制，扩压段长径比不超过1.1，进出口面积比为1:20，考虑工艺性和制造成本，扩压段的外轮廓型面主要采用锥形面。1.1设计点与测量截面选取为了保证仿真计算的可靠性，扩压段的设计点应与其的实际工作中典型工作状态一致1，即进口总压为101 325Pa，出口静压约为90 000 Pa，总温为288.15 K。以实际整流装置后测量截面的位置作为仿真计算的测量截面，如图2所示。1.2设计方案设 计 过 程中重点关注不同扩压段导流结构对气动性能的影响，以此评选扩压段最优设计方案。根据大扩张角扩压段设计经验，选择长隔板、中心锥以及开孔收缩锥3种形式，其中开孔收缩锥考虑不同收缩角，共4种方案，如图3所示。所有方案均在扩压段前设置相同的直管段及喇叭口，扩压段后设置相同的蜂窝整直器及整流网。摘要：为研究扩压段在大扩张角条件下不同导流结构的气动性能，结合某进气流量校准装置扩压段设计要求，利用Fluent软件对多种扩压段导流结构进行数值模拟，以流阻及流场均匀性进行方案选择。以长隔板形式的扩压段方案为基础进行进一步优化设计，经计算分析，等环面积方案具有更好的气动性能。关键词：大扩张角；气动性能；数值模拟；长隔板中图分类号:V231.2文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08005803Diffuser Design of Inlet Flow Calibration Device Based on FluentCAO Qingyu,LI Yanjun,LIU Zhe,QIN Zhengrong,YIN Dong(AECCShenyangEngine Research Institute,Shenyang110015,China)Abstract:In order to study the aerodynamic performance of different structures under the condition of aggressive diffuser,Fluent software is used to carry out numerical simulation of various diffuser structures according to the designrequirements of diffuser of an inlet flow calibration device.The flow resistance and flow field uniformity is used to selectthe scheme.Based on the design of diffuser with long partition,the design is further optimized.Calculation analysis showsthat the design of equal ring area has better aerodynamic performance.Keywords:divergence angle;aerodynamic performance;numerical simulation;long partition图1进气流量校准装置示意图被校准流量管扩压转接段扩压段整流装置前稳压段文丘里喷嘴组后稳压段收缩段抽吸装置图2测量截面示意图出口入口测量截面58机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期1.3边界条件通 过 Fluent软件对4种方案分别计算，选用sst模型，入口为压力入口101 325 Pa，出口为压力出口，静 压 90 000 Pa，整流装置通过多孔介质模拟。通过相同压差状态下的流量对比各方案的流阻。2仿真结果及分析2.1仿真结果仿真结果如图4所示，结果汇总如表1所示，其中总压最大波动量定义为：（截面最大总压-截面平均总压）/截面平均总压。2.2结果分析对比分析4种方案的仿真结果，方案一、方案二能明显分散核心流，方案三、方案四在扩压段出口中心位置仍存在明显的高速核心流。整流装置能有效阻挡高速流，使气流速度趋于均匀。在整流装置结构相同、压力损失基本相同的情况下，各方案的气动性能差别主要由扩压段结构决定，流量存在较大差别，方案一即长隔板方案流量最大，说明其流阻最小，流量高于其他方案16%以上，同时方案一的最大总压波动量最小，故方案一明显优于其他方案。方案二的中心锥能有效将核心流分散至筒壁附近，但占用流道面积大，导致气流速度下降慢，扩压段出口处流速偏高。方案三比方案四开孔收缩锥表面积小，相同开孔率下流通面积更小，对气流的阻碍更明显，故方案三流量更小。由于方案一流量仍较小，所以需以方案一为基础，对扩压段气动结构进行优化，进一步降低流阻。图3 4种设计方案304530孔板孔板方案一方案二方案三方案四表14种方案结果汇总方案测量截面流量/（kg s-1）平均总压/Pa平均总压/Pa总压损失/Pa总压损失与入口总压比值/%最大总压/Pa总压最大波动量/%平均速度/（m s-1）方案一124101 32590 06911 25611.1190 1280.06610.3方案二103101 32590 13611 18911.0490 3540.24212.9方案三94101 32590 08811 23711.0990 2910.22512.0方案四101101 32590 05811 26711.1290 1850.1419.6进口图44种方案的马赫数分布方案一方案二方案三方案四3优化设计方案为了适应不同入口直径的流量管的匹配，将扩压转接段与扩压段分开考虑，并且扩压转接段和扩压段内部都布置隔板，同时保持长隔板层数为2，形成方案五方案七，如图5所示。其中方案五为等直径方案,即在径向方向上用长隔板将直径均分成3份；方案六为等环面积方案；方案七为等半径方案；其他条件与方案一方案四均相同。4优化后仿真结果及分析4.1仿真结果优化后方案马赫数分布如图6所示，轴面速度矢量分布如图7所示，结果汇总如表2所示。4.2结果分析及结论根据方案五方案七的仿真结果，在扩压转接段直段交界处，由于流道面积不变且长隔板结构阻碍并分隔气流，导致流速局部升高，随后通过长隔板的导流将气流以图5方案五方案七布局示意图方案七方案六方案五方案五方案六方案七图6优化后方案马赫数分布59机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：（上接第57页）and Signal Processing(ICSP).2022:1235-1239.7CHEN Z,YANG J,CHEN L,et al.Garbage Classification SystemBased on Improved Shufflenet v2 J.Resources,Conservationand Recycling,2022,178.8LIU B H,WANG X P.Garbage Detection Algorithm Based onYOLO v3C/2022 IEEE International Conference on ElectricalEngineering,Big Data and Algorithms(EEBDA).2022:784-788.9SHORTEN C,KHOSHGOFTAAR T M.A Survey on Image DataAugmentation for Deep LearningJ.Journal of big data,2019,6(1):1-48.10JIANG P Y,ERGU D,LIU F Y,et al.A Review of YoloAlgorithm DevelopmentsJ.Procedia Computer Science,2022,199:1066-1073.11ZHENG Z H,WANG P,LIU W,et al.Distance-IoU Loss:FasterandBetterLearningforBoundingBoxRegression C /Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence.2020:12993-13000.12WOO S,PARK J,LEE J Y,et al.Cbam:Convolutional BlockAttention ModuleC/Proceedings of the European ConferenceOn Computer Vision(ECCV).2018:3-19.13HOU Q B,ZHOU D Q,FENG J S.Coordinate Attention forEfficient Mobile Network DesignC/Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition.2021:13713-13722.14GUO M H,XU T X,LIU J J,et al.Attention Mechanisms inComputer Vision:A SurveyJ.Computational Visual Media,2022,8(3):331-368.15ZHUANG F Z,QI Z Y,DUAN K Y,et al.A ComprehensiveSurvey on Transfer LearningJ.Proceedings of the IEEE,2020,109(1):43-76.（编辑马忠臣）作者简介：林梓健（1997），男，硕士研究生，研究方向为深度学习、视觉检测；林群煦（1983），男，博士，副教授，主要研究方向为智能装备、机器人技术。通信作者：林群煦，。收稿日期：2022-10-10一定比例分区扩散至稳压段，气流以多股高速流进入稳压段，再经蜂窝整直、整流网均压，在测量截面处获得较为均匀的流场条件。与方案一相比，方案五方案七总压损失基本相同，但流量明显增加，均超过143 kg/s，说明优化方案能有效降低流阻，其中方案六即等环面积方案流量最大，超过150 kg/s，说明其流阻最小。同时方案六在测量截面处总压最大波动量最小，数值为0.042%，在7种方案中具有最优的气动性能，所以选择方案六为最终气动方案。5结语本文通过对比不同形式扩压段导流结构的流场仿真计算结果，初步分析判断长隔板结构的扩压段导流结构具有更优的气动性能，通过对长隔板结构尺寸的进一步优化，设计了等环面积方案的长隔板布局，验证其具有更优流阻及流场均匀性，可以为后续的进气流量校准装置设计提供参考。参考文献1常鸿雯,李艳军.基于FLUENT的核心机试车台扩压段设计J.机械工程师,2019(9):136-137,140.2吉海云,李艳军,刘元周.核心机试车台稳压系统的设计与验证J.机械工程师,2020(4):81-83.3陈立红,张新宇,顾洪斌.扩压段对高超声速推进风洞起动的影响J.推进技术,2004(5):430-434.4朱红钧,林元华,谢龙汉.FLUENT流体分析工程案例精讲M.北京:电子工业出版社,2013.5陈作斌.计算流体力学及应用M.北京:国防工业出版社,2003.（编辑邵明涛）作者简介：曹庆宇（1992），男，硕士，工程师，主要研究方向为发动机试验设备设计。收稿日期：2022-09-15图7优化后方案轴面速度矢量分布方案五方案六方案七方案进口测量截面流量/（kg s-1）平均总压/Pa 总压损失/Pa总压损失与入口总压比值/%最大总压/Pa总压最大波动量/%平均速度/（m s-1）方案五143.2101 32590 09311 23211.0990 2000.11911.4方案六150.8101 32590 08911 23611.0990 1270.04212.9方案七145.7101 32590 07711 24811.1090 1600.09311.0平均总压/Pa表2优化后方案计算结果汇总60