高负荷吸附式风扇气动性能数值模拟

周铮，王掩刚(.中国燃气涡轮研究院，四川成都60500；.西北工业大学，陕西西安7007)

高负荷吸附式风扇气动性能数值模拟

周铮1，王掩刚2
(1.中国燃气涡轮研究院，四川成都610500；2.西北工业大学，陕西西安710072)

采用NUMECA商用软件，模拟了叶片附面层吸气技术对高负荷风扇叶片三维流场的影响。重点研究了抽气模型的建立方法，深入分析了不同开孔位置、尺寸及不同抽吸量对风扇气动性能的影响。结果表明，在来流条件相同的情况下，转、静子选取适当的开孔位置，抽吸流量为总流量的1.5%时，压比、效率最大可分别提高6.5%和1.6%。

高负荷吸附式风扇；附面层吸气；抽气模型；开孔位置；高推重比；气动性能

1 引言

国内外研究表明：吸附式风扇叶片技术是提高风扇级负荷的一项切实可行的实用性新技术，是减少级数、减轻重量、缩短长度、提高效率的有效途径。该技术通过在叶片吸力面上强逆压梯度处开孔，吸除即将发生大分离的附面层，使气流在叶型后段能完全附着，实现叶片气流弯角的增加，从而提高风扇级的气动性能。该技术是开展下一代推重比15～20发动机压缩部件设计的关键技术，而且可用于现役和在研发动机的改进，是提升我国发动机整体设计水平的有效途径。

本文主要针对高负荷吸附式风扇转子叶片吸力面开孔进行了三维数值模拟和分析，研究了该方法对高负荷吸附式风扇叶片内部流动模拟的可行性与可靠性，详细分析了附面层抽吸技术对高负荷跨声速风扇叶片三维流场及风扇气动性能的影响。

2 数值模拟方法

采用NUMECA商业软件，模拟了叶片附面层吸气技术对高负荷风扇三维流场的影响。采用时间追赶的有限体积法求解三维定常粘性雷诺时均N-S方程。空间离散采用中心差分法，时间离散采用四阶龙格-库塔法，并采用隐式残差光顺和多重网格技术加速收敛。湍流模型采用Spalart-Allmaras模型[1]。

吸附式风扇的计算网格划分采用多块网格分区技术[2]。网格拓扑在叶片壁面区域采用O型网格，等距分布；叶片前、后延伸段采用H型网格；机匣壁面与转子叶片之间选取0.2mm间隙；顶部间隙区采用蝶型网格拓扑结构(O型网格内嵌I型网格，可保证间隙内具有良好的正交性)，并保持顶部间隙几何形状不变；叶顶间隙内展向网格均匀分布，机匣附近无需加密。距固体壁面第一层网格满足0＜Y+≤10，确保能计算出壁面的附面层状况。计算网格结构共分12个网格块，总网格节点数约41万。网格细节分布见图1。

图1 三维计算网格图Fig.1 Three-dimension computationalgrid

3 简洁抽气模型建立方法

相关资料显示[3～5]，抽气模型的建立过程复杂。因此，针对附面抽吸技术应用于叶片吸力面，及对流场改善的影响，本文提出了建立简洁抽气模型的方法和步骤。

本文所选择的抽气模型能准确模拟并描述附面层抽吸技术应用于叶片吸力面后，对激波位置、通道流动状况、附面层分离方面改善的影响。

抽气模型通过NUMECA软件的FINE-TURBO模块建立。步骤如下：

(1)在FINE-TURBO模块的parameter选项中选择cooling/bleed模型。特别指出：对于吸附式压气机技术，附面层抽取系统可看做一个自身抽吸的系统[6，7]，无需采用吸气泵，抽吸出的流体从转子叶片中流出。

(2)根据叶片吸力面流动确定大分离发生处的径向、轴向及展向位置，根据具体需要建立若干个相匹配的吸气模型。根据分离情况设置不同抽吸孔数量(即可在一个分离处建立一个或并列的几个抽吸模型)。此外，考虑到网格生成的难度和质量，采用沿网格线开孔的方法，即缝的宽度为1～2个网格宽，长度则沿径向取相同流向的若干网格。

(3)选择抽吸孔的开孔形式。开孔形式有：抽吸孔(line)、抽气点(point)、抽气缝(slot)三种，本文选择line形式。line形式在几何学和流动特性概念下，表示为一系列抽吸孔均匀分布为一条线。这种开孔形式适用范围较广，且开孔位置自动均匀分布，有利于准确捕捉流场及开孔位置处的细微流动变化。

(4)选择抽吸孔所在固面，根据实际数值模拟对象，定义抽吸孔数量(1～n)、抽吸孔直径及抽吸流量(一般为总流量的0.5%～3.0%)[8]。抽吸孔几何位置可由输入具体抽吸位置的X、Y、Z坐标确定。这种方法准确，即使叶片弯扭度很大也可准确选取抽吸处，尤其适用于分离严重的角区。也可选择圆柱坐标系或网格点坐标给定，或在几何体上手动选取(选取初始点和结束点位置即可)，这种方法选取抽吸位置直观，适用于弯扭度不大的静子叶片。也可几种方法结合，共同确定抽吸位置。

4 抽气位置选取原则及方法

文献[9]的研究表明，吸附式风扇叶片抽吸孔位置的选取在研究中最为关键。本算例选择在转子叶片吸力面开孔，开孔位置由轴向位置和径向位置共同确定。

在叶片吸力面开孔，须特别注意激波流动状况，必须选择在激波之后的压力恢复区并沿附面层流动方向开孔。

抽吸孔位置的设置通过NUMECA软件的FINE-TURBO模块实现。该开孔模型可设置吸气模型结构、抽吸孔数量及吸气流量等参数。若同一位置处抽吸量较大，可同时开设两排及以上的抽吸孔，以便在抽吸孔直径一定的情况下，保证抽吸流量和吸气效果。开孔效果见图2。

图2 转子叶片开孔位置示意图Fig.2 Rotor suction slot location

图3 75%叶高拟S1流面相对马赫数等值线对比图Fig.3 Distribution of S1 stream surface relativeMacHnumberat75%span witHdifferentaspirated flow rates

表1 抽吸孔参数列表Table 1 Details of suction slotdistribution

5 全三维数值模拟结果与分析

以某单级高负荷吸附式风扇为研究对象，利用NUMECA数值模拟软件，研究不同转、静子叶片位置及不同吸气量对风扇气动性能的影响。

5.1 吸气位置及吸气量计算分析

吸气位置的选取方法：利用三维分析软件对未进行抽吸处理的风扇进行数值模拟。对于超声叶型，根据激波与边界层相互作用情况，选取合适的吸气位置；对于亚声叶型，则根据可能存在的附面层分离情况，选取合适的吸气位置。

本算例选择的开孔抽吸位置：转子叶片40%～95%叶高、5%弦长位置，转子叶片全叶高、80%弦长位置，静子叶片全叶高、30%弦长位置。

计算中转子叶片抽吸孔参数设置见表1。

多组对比计算结果表明，开孔直径必须随吸气量的增加而增大，否则计算无法正常进行。大致规律为：吸气流量为0.01～0.03 kg/s，孔直径1mm；吸气流量为0.03～0.05 kg/s，孔直径2mm；吸气流量为0.06～0.10 kg/s，孔直径3 mm；吸气流量为0.12～0.20 kg/s，孔直径4mm。

5.2 抽吸前后内部流场细节对比分析

按上述吸气位置和吸气量，对该风扇进行设计点的全三维分析，并与无吸气状态进行对比。图3、图4分别为75%和95%叶高吸气前后的拟S1流面相对马赫数等值线对比图，图5为吸气前后的拟S2流面马赫数对比云图，图6为转子吸力面极限流线对比图。

从图3、图4中可看出，在无吸气条件下，存在弓形激波和通道激波，95%叶高处叶型尾缘出现较大分离流动，分离起始位置位于激波后。抽吸掉即将发生大分离的低能高熵流体，较好地改善了通道流通状况，通道激波强度明显减弱，在75%叶高处改善效应最明显。从图5和图6中看，由于抽吸孔1的抽吸，使得前缘弓形激波位置向下游漂移，损失增大，高马赫数区增大。抽吸孔2的抽气效果明显，转子叶片吸力面马赫数分布更均匀，吸气位置前附面层内流体动能增加，有助于避免低能流体过早分离。

图4 95%叶高拟S1流面相对马赫数等值线对比图Fig.4 Distribution of S1 stream surface relativeMacHnumber at95%span witHdifferentaspirated flow rates

图6 转子叶片吸力面表面极限流线分布Fig.6 Distribution ofstream linewitHdifferentaspirated flow rates

吸气位置后，激波结构的改变使得分离区后移并减小，通道扩压能力得到恢复，同时也改善了静子叶片排的流场分布，提高了整个级的压比和效率，但转子叶片角区出现了低速区。因此，可在角区开孔抽吸，进一步改善流动状况。

5.3 抽吸前后总性能对比分析

为进一步验证和研究吸附式风扇的性能，对相对换算转速1.00、0.95、0.90的各工况点，针对相同引气量进行了总性能参数计算。各相对换算转速下的特性线如图7所示。

图7 抽吸前后吸附式风扇特性曲线Fig.7 Characteristicsof fan witHaspiration

从特性图看出，在设计点工况，吸气后风扇效率和压比均大幅提高，效率最大提高1.6%，压比最大提高6.5%；在非设计点工况，吸气后风扇压比和效率较无吸气情况有较大提升，同时裕度也有一定改善。

6 结论

(1)本文建立的抽气模型简洁、合理，易于调整开孔位置及开孔数量，能准确模拟计算对象流场内部流动状况，可满足吸附式风扇数值模拟要求。

(2)在风扇转、静子叶片吸力面开孔吸除适量的低能高熵流体，可有效控制叶片尾缘附面层的大分离流动，加强流道通流能力，提高叶片负荷、风扇级效率和压比。

(3)在设计点工况，在转子叶片吸力面80%弦长、静子叶片吸力面30%弦长、全叶高开孔，且吸气流量为总流量的1.5%时，吸附效果最为显著，压比和效率最大可分别提高6.5%和1.6%；在非设计点工况，吸气对风扇性能的提升，具有相同的效果。

[1]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版，2001.

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Numerical Simulation of Aerodynamic Performance for High-Loading Aspirated Fan

ZHOU Zheng，WANG Yan-gang
(1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Northweastern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

The numerical simulation of a high-loading aspirated fan was introduced.NUMECA software was adopted to simulate the influence of high-loading fan witHboundary layer suction on the three-dimen⁃sional flow field.Themethod of building the suction model and the influence of suction location and suction flow rate on the performance of fan were investigated in details.The results showed thatwitHthe same flow and appropriate suction locations for stator and rotor,the pressure ratio and adiabatic efficiency could be im⁃proved to 6.5%and 1.6%respectivelywitH1.5%suction ratio.

high-loading aspirated fan；boundary layer suction；suctionmodel；suction slot location；higHthrust-to-weight ratio；aerodynamic performance

V231.3

A

1672-2620(2012)04-0016-04

2012-02-02；

2012-08-28

航空基金(2011ZB24002)

周铮(1982-)，女，重庆人，工程师，硕士，主要从事航空发动机压气机气动设计和研究。