超聲速轉子葉片非定常引射器流場特性數(shù)值模擬-論文.pdf

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1、第２６卷第３期強激光與粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３２０１４年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１４超聲速轉子葉片非定常引射器流場特性數(shù)值模擬叢成華１，２，彭強１，２，易星佑２，鄭娟２（１．空氣動力學國家重點實驗室，四川綿陽６２１０００；２．中國空氣動力研究與發(fā)展中心設備設計及測試技術研究所，四川綿陽６２１０００）摘要：采用計算流體力學方法，結合適當?shù)倪吔鐥l件，對超聲速轉子葉片非定常引射器進行了模擬。從結果可以看出：此類引射器內流態(tài)復雜，主氣流出口斜激波干擾

2、現(xiàn)象明顯，葉片設計參數(shù)對引射器性能影響很大。葉片尾部的膨脹波有效誘導了被引射氣流，在短距離內增強了氣流混合，湍流效應對引射器性能的影響較?。蝗~片可維持自旋轉，提升葉片轉速可增強引射效率。最后，對引射器內的流動機理進行了探討。關鍵詞：非定常引射器；流場特性；葉片；壓力交換；計算流體力學中圖分類號：Ｖ２１１．３文獻標志碼：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０３９００１引射器是傳遞能量的一種流體機械裝置，它依靠高壓流體形成的高速射流引射低壓流體，并在裝置中進行動量交換，傳統(tǒng)定常引射器的能量轉

3、換取決于粘性剪切混合。近年來，提出了利用非定常流動壓力交換原理來提高引射器效率的概念，稱之為壓力交換引射器，在實際工程應用中，主要用于提高氣流的混合。其工作原理與傳統(tǒng)引射器有很大區(qū)別，它利用高壓流體的不斷膨脹來壓縮低壓流體，在流動通道內通過氣波（壓縮波和膨［１］脹波）來傳遞能量，其工作過程是可逆和等熵的。壓力交換引射器可以通過結構的合理設計，巧妙利用兩種［１］不同能量流體間直接接觸產生的氣波，實現(xiàn)能量在兩種流體間傳遞，因而具有更高的效率和更加緊湊的結［２］構。Ｓｃｏｔｔ的研究表明，壓力交換引射器能顯著

4、增加引射氣流與被引射氣流的混合。以Ｇａｒｒｉｓ為代表的喬［３］治華盛頓大學先提出了無輪轂旋轉引射器，后來則致力于超聲速轉子葉片壓力交換引射器的研究，分析了［４１０］引射氣流與被引射氣流之間的能量交換過程。該引射器主要由轉子和楔形葉片組成，結構簡單。轉子安裝在軸承上，幾乎無任何摩擦，由于轉子葉片是傾斜的，因此轉子可高速自由旋轉，兩種氣體在轉子通道中進行直接接觸并迅速完成傳遞能量，瞬態(tài)響應快。他們先后通過試驗和數(shù)值模擬研究了引射器內部構造對性能的［４１０］影響，尤其是葉片轉速、數(shù)量、形狀和偏轉角以及

5、引射氣流與被引射氣流入口面積比對流動的影響等。國內，在傳統(tǒng)引射器方面已建立了較為適用的等壓混合引射器性能計算分析與工程設計方法，詳細分析了［１１］等壓混合引射器各主要參數(shù)對性能的影響，并經(jīng)過了試驗驗證。近年來，國內在新型引射器研究方面取得［１２］［１３１４］了一些成果，包括超超引射器以及基于壓力交換的能量回收裝置、制冷裝置等。但在壓力交換引射器領域尚屬空白，通過試驗進行原理性研究的花費將是巨大的，而數(shù)值模擬提供了靈活有效的手段，能提供完備的三維數(shù)據(jù)流場和局部流動細節(jié)，快捷改變結構，研究結構參數(shù)對流

6、動特性的影響。本文借鑒國外研究成果及經(jīng)驗，采用計算流體力學（ＣＦＤ）方法進行數(shù)值模擬，分析超聲速轉子葉片壓力交換引射器（下文簡稱引射器）內的氣流特性，探索其流動機理。１引射器設計與數(shù)值方法１．１氣動建模與網(wǎng)格引射器示意圖如圖１所示，引射氣流入口直徑為０．１ｍ，被引射氣流入口外徑為０．３ｍ，引射氣流出口處圓錐頂角為４０°，葉片安裝角為２０°，葉片前緣夾角為４０°。其他參數(shù)可參閱文獻［８］。建模時以氣流流向為狕軸建立右手坐標系，入口圓錐頂點處定義為坐標原點。采用結構網(wǎng)格，使用層流模型計算時邊界層未進行加

7、密，網(wǎng)格規(guī)模１３萬左右；使用湍流模型計算時邊界層進行加密，壁面處網(wǎng)格確保狔＋＜３０，網(wǎng)格規(guī)模為３８萬左右。由于流場中存在較大的間斷，為提高流場分辨率，采用了網(wǎng)格自適應，層流模型時網(wǎng)格單元限制在５０萬，湍流模型時網(wǎng)格單元限制在１００萬，網(wǎng)格拓撲如圖１所示。收稿日期：２０１３０７２０；修訂日期：２０１３１１１３基金項目：空氣動力學國家重點實驗室基金項目（ＳＫＬＡＪＢＫＹ１１０４０４０１）作者簡介：叢成華（１９７９—），男，碩士，助研，從事計算流體力學、風洞氣動設計及流動控制研究；ｃｃｈ＿ｓｄ＠

8、１６３．ｃｏｍ。０３９００１１強激光與粒子束1.2控制方程由于壓力交換是等熵的可逆過程,數(shù)值模擬中并沒有考慮剪切應力、粘性或湍流引起的非可逆變化過程,采用層流進行計算?？刂品匠淌褂肗-S方程,矢量形式的連續(xù)方程、動量方程和能量方程為ì?1Dρ+?ivi=0?ρDt??Dviíρ=-?pi+?jτji(1)?Dt?De?ρ=-?pi+τij?jvi?DtFig.1Sketchmapandgird式中:ρ為密度;v為速度;p為壓力;τ為切應力;e為能量;t