航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现

航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现航空燃气涡轮发动机内的流场很复杂，不仅动静流场同时存在，同时还伴有多相流、传热、燃烧等现象，即使从物理上进行很大的简化，模型最后仍然是三维、有粘、非定常的可压流动。航空发动机流场数值计算的发展经历了S2流面法、基于一元管道的流线曲率法、有限差分方法求解非正交曲线坐标系中的S1、S2流面基本方程、有限差分、有限体积和有限差分与流线曲率混合的方法对S1流面跨音速流场的计算，而现在由S1与S2流面相互迭代形成的准三元和全三元计算也发展起来了。现在的采用有限体积法求解NS方程全三维流场计算已经广泛采用，航空发动机的流场数值计算已趋于成熟，可以充分考虑旋转流动、转静干涉问题、多相流、燃烧、亚超跨音速等复杂现象。而且现在求解的规模也不断扩大，利用并行等成熟的CFD技术可以计算达几千万甚至上亿的计算网格。因此结果也更为真实有效。ANSYSCFX凭借TASCFLOW在叶轮机旋转流动的传统优势，结合更为先进的网格处理技术和高效的求解器，更适合航空发动机流动的复杂性，求解问题的规模和计算精度大大提高，一直处于航空发动机流动模拟的最前沿。4.1.进气道及风扇气动分析CFX对进气道和风扇的模拟主要是研究进气道存在摩擦、激波和分离等产生的损失，风扇效率。在亚音速时进气道的工况，在超音速时的工况，并精确计算附面层及分离损失。并研究进气道在非设计工况下性能的恶化情况。还可以模拟在非定常情况下进气道及其风扇的气动特性。4.2.压气机流动分析航空发动机的压气机分为轴流压气机和离心压气机。其分析原理相似。这里以轴流压气机为例进行说明。压气机的作用主要是利用涡轮发出的功对气体进行压缩形成高压的气流供给燃烧室。压气机非常近似于绝热的，所以压气机对气体所做的功等于气体总焓的增加。压气机的几个关键参数，首先是压气机效率和级效率，也就是给定增压比所需理想功与实际所需功之比。然后还有单级的增压比和总增压比。轴流压气机的级是压气机中能量交换的基本单元。轴流式压气机由各级动叶和静叶交替串连在一起组成叶栅通道，常称为压气机的通流部分，是压气机的核心，是气动计算的主要对象。航空发动机对压气机及其级组提出的基本要求是高的效率值、级的数目少、最小的质量和外廓尺寸的情况下，保证给定的增压比，以及结构简单、可靠，具有高的生存能力，适检性和适修性好，使用维护简便。4.2.1.单级压气机气动计算单级压气级气动分析主要是指工作轮（动叶）前、后和导向器（静叶）后面取一个与回转轴线垂直的截面作为参考界面。基于包含的两排叶栅中，动叶栅以圆周速度u运动，静叶栅则是静止不动的，研究动叶栅采用旋转坐标系更为方便。在CFX中使用MFR多重旋转参考坐标系来模拟旋转运动。提高基元级的增压能力主要通过增大动叶的周向速度u和增大气流流经动叶栅时的扭速。现代的压气机叶尖速度已经达到500m/s甚至更高，使得流场出现激波，增加了流场模拟的复杂性。利用CFX可以模拟压气机基元的亚、跨、超音速流动，并模拟转静干涉的情况。计算单级效率。通过改变相应的叶型参数研究提高压气机单级效率的方法。4.2.2.多级压气机气动计算航空发动机的压气机应在宽广的工作范围内，具有良好的特性。由于航空发动机的多状态性、结构形式的复杂性和很高的工作过程参数值等原因，使得压气机所需要的使用工作范围扩大。在非设计状态下，压气机级组中发生严重的级间不匹配，导致这些参数变差（效率降低、增压比与空气流量下降），尤其危险的是，在某些级中出现使压气机进入不稳定工作的气流。通过合理选择压气机结构形式和设计参数（正确选择级组数目、单级负荷等）得到改善，也可以通过广泛采用各种调节方法达到改善。多级压气机最主要的气动问题就是各级流动是否匹配，总的效率是否达到设计要求。利用CFX可以重复验证各级匹配的情况，找到影响压气机效率的症结所在。图3-4-5是对西门子公司某发动机15级轴流压气机的气动分析，包括进口导流叶片，同时有15级转子，15级静子。网格规模为3200万节点。计算结果与试验符合得很好。4.3.燃烧室流动分析燃烧室主要作用是组织气体燃烧，形成高温高压的燃气推动涡轮旋转。现代燃烧室的进气温度可达800K，今后可能达到900K，进口压力为30e5Pa，今后将达到35～40e5Pa。燃烧室出口温度现在为1650K到1700K，今后会达到1800K以上。所以燃烧室面临的问题就是在高温高压的环境中，如何提高燃烧室的使用寿命。还要求能够点火可靠，稳定燃烧，保证高的燃烧效率，出口温度分布均匀。燃烧室必须采用合理的冷却方式，避免烧蚀。现在环保的要求较高，因此对发动机排放也有要求，要减少排气污染。从气动分析的角度，燃烧室需要解决的主要问题在于燃烧室内流动分布是否均匀，燃烧模型和计算，化学反应动力学分析碳氢燃料燃烧的污染物生成模型，污染物的排放，燃烧室的冷却分析，燃烧室点火和灭火模型等等。4.3.1.燃烧室燃烧分析随燃烧室压力的提高，燃烧室排气冒烟增大，主燃区中生成的炭粒子增多，主燃气辐射换热增大，结果使壁温增高，寿命降低。解决途径主要是设计接近于化学恰当比的主燃区。主燃区进行的燃烧过程，包括燃油雾化、蒸发、混合及燃烧化学反应。燃烧室的设计本来就是解决多种矛盾的综合折衷的结果。例如，燃烧室内气流速度低，点火可以改善，火焰稳定也改善，但燃烧室尺寸大了；火焰筒开孔面积减小，射流的混合改善，但压力损失增大了等等。利用CFD分析可以充分考虑各种因素的相互作用，找到最佳的匹配方案。CFX的具有的油燃烧模型可以充分模拟燃烧室内的燃烧情况，可以模拟各种油气比的分析方案，点火、灭火模型也可以模拟高空中特殊情况下的点火和灭火情况的模拟。同时流动分析能够给出流动均匀，保证火焰稳定的流动条件。利用CFX的拉格朗日多相流和欧拉多相流技术可以烟气、碳粒子的形成和运动轨迹，多组份流体的传输扩散过程。在CFX软件中，提供了丰富的：燃烧模型：旋涡耗散模型（EDM）,有限化学速率模型（FRC）,小火焰面模型（Flamlet）,混合的模型（EDM/FRC）。相间燃烧模型：当燃料是油时，需要用到相间燃烧模型，实际上是首先采用拉格朗日颗粒运动模型计算油滴的运动轨迹；在油滴运动过程中考虑了油滴的加热过程，油滴挥发成可燃气的过程；最后计算可燃气的燃烧过程。NO生成模型：采用CFX软件中的NO生成模型可以计算污染物的排放过程。该模型求解NO的输运方程，计及了三种基本的NO机理：热力型NO,瞬态型NO，燃料型NO。辐射模型：燃烧室内部的温度非常高，辐射效应也不容忽视。在计算燃烧室的燃烧过程时，一般都要用CFX中的辐射模型。CFX提供了四种辐射模型：扩散近似模型（Rosseland）,球面谐波模型（P-1），离散传输模型，蒙特卡罗模型。4.3.2.燃烧室冷却分析燃烧室是高温部件，常常有掉块、裂纹、皱曲等缺陷。这些缺陷网格是由于火焰筒的局部过热引起。局部过热的原因有喷嘴加工不良，喷嘴表面积碳引起喷雾畸变。皱曲则主要是高温和高温度梯度引起的。为保证火焰筒具有较长寿命，必须使火焰筒壁温及壁温梯度降至某个允许值以下。现在常用的镍基合金，要使火焰筒的壁温大体在850～900℃。必须采用冷却措施将热量从火焰筒带走或隔绝热量向火焰筒壁的传递。常用的是引出压气机气体来对火焰筒进行气膜冷却，另外可以加强火焰筒外表面的散热。这种有主流流动燃烧，又有冷却气流的复杂对流换热问题的准确模拟，对CFD软件本身也是一个挑战，利用CFX的SST湍流模型可以模拟含分离、漩涡的复杂流场，结合CFX的二阶精度处理，将有更高精度的结果，可以与试验进行对比，从而改进冷却方式的设计。4.4.涡轮流动分析航空发动机涡轮是用来驱动压气机，空气螺旋桨和发动机附件。涡轮由转子和静子组成。一个导向器和一个转子的总合称之为涡轮级。涡轮分为轴流式、径流式涡轮和斜流式涡轮。这里以轴流涡轮为例进行说明。4.4.1.涡轮单级气动计算涡轮级计算的基本参数包括总压、气流总温、燃气流量、有效功和涡轮转速。可以模拟涡轮级的效率，研究带有叶冠、拉筋情况下对流场的扰动，并模拟涡轮效率的改变情况。模拟得到叶尖、叶根和平均叶高上速度方向与设计之间的差别，并模拟不同工况下速度的变化情况，是否出现流动分离和效率急剧降低的情况。利用CFX进行涡轮级模拟可以得到涡轮级效率，沿叶高不同半径处流动的变化情况，涡轮的温度场、温度梯度的分布。4.4.2.涡轮多级气动计算多级涡轮计算主要解决通路方案、涡轮级数及其功分配，选择涡轮级的基本设计参数，确定涡轮及其各级导向器和转子的尺寸，确定涡轮后燃气参数。选择涡轮及其各级的基本设计参数时，必须保持涡轮重量和轮廓尺寸最小的情况下，以获得损失最小的给定功率，并获得涡轮和压气机参数的良好匹配。可以利用CFX的瞬态转静干涉模拟功能来准确预测多级涡轮的流场分布、温度分布和压力变化过程，以及总体效率。4.4.3.涡轮叶片冷却分析随着对发动机推重比要求越来越高，涡轮前温度也随之不断升高，为避免涡轮不致于高温烧坏以及延长寿命需要对其进行冷却，尤其是前几级。而冷却通道一般设在叶片内部，有多条，并有很多横肋、凸台等，这使得涡轮叶片内部结构很复杂，其中流动也相应很复杂。如何设置冷却通道，以及评估现有流道的冷却效果，都可以利用CFX实现。从而验证涡轮叶片的工作负荷是否在一个合理的温度范围。利用CFX可以研究通道的布置型式，气流流线通量的组织。4.4.4.涡轮非设计状态下的工作涡轮的基本物理值（总温、总压和比热）的总和，成为涡轮的工作状态。设计状态指发动机的起飞状态和额定工作状态。在设计状态下，保证叶片在最佳攻角下的叶片无分离绕流。涡轮在非设计状态下，攻角偏离其设计值，因此叶型损失、二次损失和端面损失均发生变化。此时还需要得知涡轮效率，进出口压降情况等参数。利用CFX可以准确模拟攻角偏离设计值，涡轮功率损失、涡轮效率等关键参数。给设计与分析提供准确参考。4.5.尾喷管流动分析CFX能够详细模拟航空发动机尾喷管内的流动情况。包括气流在尾喷管及其出口的膨胀过程，内外涵道气流的混合，流动参混的情况，温度的变化过程，污染物流动及其排放的情况。还能够模拟气流在尾喷管内的换热过程，模拟气流对喷管壁面的温度冲击。4.6.CFX适于航空发动机流场模拟的特点4.6.1.CFX可以获得准确的航空发动机流场结果首先，在数值方法上，CFX采用了CFD领域最新的成果，即基于有限元的有限体积法。这种方法的优点是：保证了有限体积法的守恒特征；与其它的有限体积法软件相比，对每个控制体引入了更多的积分点。例如，对一个四面体单元，CFX采用了60个积分点，而其它的有限体积法软件仅有四个积分点，这种多达15倍的积分点从数值方法的本质上保证了CFX的计算结果的高度精确。值得说明的是，CFX内在的高效算法决定了这种高度精确离散方法并不会消耗更多的计算资源。其次，在湍流模型上，CFX提供了一种全新的湍流模型SST,其主要的优势在于：消耗的计算资源少，相当于双方程湍流模型的消耗量；与传统的双方程模型相比，对流场中细微涡的捕捉更有效，从而有更精确的计算结果；适用的范围更广，尤其是结合了自动壁面函数，对近壁面处网格条件的要求更低，将使用者从需要确定Y＋的苦恼中解放出来了。4.6.2.CFX能够实现快速可靠的收敛我们独创性地采用了全隐式多重网格耦合求解器，保证了模拟结果的稳定收敛。具体来讲有：全隐式的耦合求解器同时求解U、V、W三个动量方程和连续性方程，使得一般的问题在大约100个迭代步就能达到收敛。而传统的半隐式算法（SIMPLE系列）不仅需要对以上四个方程单独求解，而且需要对动量方程中的压力偏导数项“假设－修正－再假设”的反复迭代过程，这种特点大大降低了收敛的稳定性。就通常的问题来讲，CFX的全隐式耦合算法比其它CFD软件中通用的半隐式算法要快一到两个数量级；我们的求解器的计算速度和网格数量之间是线性比例的关系，即当网格数量增加一倍时，计算时间也增加一倍；而对于半隐式算法来讲，计算速度和网格数量呈指数关系，当网格增加一倍时，计算时间要增加好几倍才行。我们的多重网格求解器要大大优于传统的高斯