某半直流式风洞动力系统流动特性数值模拟研究

韩 涛

(海军驻沈阳地区航空军事代表室，沈阳 110034)

随着计算流体力学(简称CFD)方法的不断发展以及计算机性能的提升，数值模拟成为航空领域研究复杂流动问题的重要手段。数值模拟方法与传统试验方法相比[1]，有成本低、周期短的优势。更重要的是，数值模拟方法具有以下几方面试验方法不能实现的特性：(1)试验方法受限于传感器以及天平等测量仪器的体积和精度，能够提取的流场信息较少，对于复杂模型，流场结构复杂且可能存在气动干扰现象，不能全面获取流场信息，极大的影响流场特性的分析和判断，而数值模拟方法可以解析极大空间范围的流场，在高性能计算集群的支持下，通过解析大规模网格可以获得精细化的流动结构；(2)对于风洞等试验设备，其测量空间有限，多数试验需要对研究对象进行缩比，对于螺旋桨等旋转机械模型，其缩比后不符合流动的相似准则，测量数据会与真实数据存在偏差，而数值模拟方法不受研究对象空间尺度的限制，可以针对真实比例模型进行研究；(3)针对内流流场的研究，由于内流流场具有空间大范围封闭的特性，试验方法想要获得流场信息，模型制作成本高，测量手段少，而数值模拟不受这些因素的限制。综上所述，针对复杂流动问题，及其流动特性进行分析研究可以采用数值模拟方法。

本文针对某动模型试验设计半直流式风洞设备，洞体喷口出口处设置风洞试验台。对于风洞试验设备，试验段出风气流需要流量稳定、均匀、低湍流度[2]。现针对该风洞动力系统运行稳定后形成的洞体内流场进行数值模拟研究，将获得的喷口均匀性及湍流度信息进行分析[3]，研究该风洞出流流动特性，为该风洞设计提供指导性意见。

1 风洞设计模型

本文研究对象为某半直流式风洞[4-6]，洞体模型总长3.7 m、宽30 m、高6.5 m，洞体由动力段、拐角段、稳定段、收缩段、喷口等部分组成[7-8]。洞体模型轮廓图如图 1所示。

图1 洞体模型轮廓图

动力段由20个构型相同的风机通道并列组成，每个风机通道构型由收集器、风机段、圆方过渡段、扩散段构成。每个风机入口安装收集器利于入口气流均匀、稳定。收集器长0.2 m，入口和出口截面为圆形，直径分别为1.4 m和1 m。风机段长0.6 m，放置直径1 m的风机，每个风扇由转子和定子构成，转子有8个叶片，定子有6个叶片，各通道风扇为同向旋转。风机段后为长1 m的圆方过渡段，入口截面为直径1 m的圆形，出口截面为宽/高1.1×1.1 m的矩形。圆方过渡段后为长2m的扩散段，单边扩散角6°，入口截面为宽/高1.1×1.1 m的矩形，出口截面为宽/高1.5×1.5 m的矩形。

拐角段管道入口和出口截面为宽/高1.5×30 m的矩形，拐角处布置10片圆弧板翼型导流片。

拐角段后的稳定段为长0.7 m的等值截面通道。收缩段采用二维截面收缩，收缩比为1.7。收缩段后为长0.2 m的试验喷口，喷口截面为长1 m，矩形，截面宽/高为0.9×30 m。

该风洞动力系统在标准大气状态下运行，环境温度为15℃，密度为1.225，黏性系数为1.79×10-5N·s/m2。按照空风的试验段最大风速40 m/s选择风机，所需电机功率约为2.83 MW，单通电机功率约142 kW，转速为2 900 rpm。

2 数值模拟方法

本文针对风洞动力系统稳定运行后的工作状态进行数值模拟研究[9]，计算模型采用无缩比三维洞体模型。风洞洞体流场解析定常条件下的雷诺平均Navier-Stokes方程，湍流模型采用标准k-ε二方程模型[10-11]，壁面方程采用标准壁面函数方程，无粘通量求解ROE格式[12]，时间推进上采用双时间方法，其中伪时间方向上采用隐式的无矩阵存储LU-SGS方法[13-14]。该洞体模型在开放式环境中运行，环境条件采用标准大气状态。为了模拟动力系统运行时洞体通道内气流流场的精细结构，采用真实风扇叶片模型进行数值模拟，但需对风扇转子模型应用混合面模型进行简化。

混合面模型是针对风扇、螺旋桨等旋转流体机械流场数值模拟的一种简化方法。将流场中做定轴转动的气动部件设置为转动域，将固定不动的部件所在计算域设置为固定域，将转动域与固定域的交界面设置为“混合面”。在数值模拟计算中，转动域内的转子在周向按照叶片数划分成数个扇形域，每个扇形域中部包含一个叶片，扇形域两侧应用周期性边界条件，可以将转子的运动简化为单个叶片的周期性运动，在转子域采用旋转坐标系方法进行求解。在固定域内求解惯性系下的Navier-Stokes方程。在“混合面”处，交界面将扇形域内的边界单元数据根据周期运动特性还原为整个转子的边界单元数值，并将整个转子的边界数据应用反距离函数插值算法传递至定子域的边界单元，从而将转动域与固定域联系起来形成整体流场。相对于多参考系模型(MRF)[15]，混合面模型更加简化，在交界面处的插值算法更为灵活。

针对本文研究的风洞模型，将洞体模型划分为进口通道、转子和定子3个子域，转子域内包含做定轴旋转运动的风扇叶片，本文采用的风扇转子有8个叶片，可以在旋转平面内将风扇通道划分为45°的扇形域，每个扇形域中部包含一个叶片，应用周期性边界条件可以将转子模型简化为单独叶片模型。在进口通道上游延伸至远场边界设置为进口域，在定子域下游延伸至远场边界设置为出口域。计算域中，进口域、进口通道、定子域和出口域可以采用惯性

系下的定常方法求解，在转子域应用旋转坐标系方法进行计算，则可以将转子的非定常转动运动转化为定常运动，再将旋转坐标系下的流动信息转化到惯性系下，那么每个子域内的流场通过采用不同的坐标系和边界条件，都可以作为定常流场进行单独求解，不同子域之间通过混合交界面交换边界流场信息，应用混合面模型大幅降低了数值模拟计算量。

3 数值模拟模型及网格处理

本文数值模拟采用的半直流风洞洞体模型如图 2所示。风洞在开放式环境中运行，故数值模拟在收集器及喷口外设置远场边界，建立的计算域拓扑结构及网格分布如图 3所示，计算域细分为进口远场域、动力段、后洞体域和出口远场域，其中后洞体域包含拐角段、稳定段、收缩段和喷口。洞体模型表面网格分布如图4所示。

图2 风洞洞体模型

图3 洞体模型计算域拓扑结构及网格分布

图4 洞体模型表面网格

动力段由并列的20个相同的单通风机构型组成，为了保证每个单通风机构型网格分布的一致性，将每个单通风机构型单独划分成一个子域，20个子域分别与进口远场域和后洞体域连接，在网格生成时将单通风机构型网格复制到各子域，单个单通风机构型拓扑及网格分布如图 5所示。

图5 单通风机构型拓扑及网格分布

单通风机构型拓扑则分为风机进口域、转子域和定子域，转子域包含风扇转子，网格分布如图 6所示；定子域包含风扇定子、圆方过渡段和扩散段，进口域和转子域的交界面、转子域和定子域的交界面分别设置混合面模型，混合面网格分布如图 7所示。

4 流场分析

本文风洞模型采用的风机设计转速为2 900 rpm，数值模拟采用的惯性坐标系定义为风机各通道沿y方向排列，风机通道轴线沿z方向，风机叶片绕-z轴旋转。

图6 转子网格分布

图7 混合面模型

风洞稳定工作状态下，远场静止气流在风扇转动情况下由收集器进入20个风机通道，由单独风机通道流出汇入下方联通的拐角段，经过拐角段导流片导流，气流方向由-z转为+x，再经过收缩段，由喷口流出。风机通道按照中轴线位置y轴坐标绝对值增大的顺序依次编号为通道1～20。

4.1 质量流量监测结果

数值模拟监测单独风机通道的质量流量收敛过程，其中进口质量流量监测面为风机通道顶部入口面，出口质量流量监测面为风机通道底面与下方总出口的交界面。根据各通道质量流量监测平均值绘制各通道进出口质量流量分布曲线，如图8所示。由图8可知，通道1～11进气量基本一致，通道19、20与通道1～11相差不大，通道12～18进气量偏低。各通道下方出口流量与进口流量有一定差距，由此可知，在下部区域各风机通道之间的流动有一定相互影响，导致了下方气流诱导掺混，这可能会增加洞体内气体的湍流度。

图8 各风机通道进出质量流量分布曲线

4.2 动力段质量流量分布特性分析

由于动力段气流为低速不可压缩流动，可以根据各风机通道的速度分布情况分析其质量流量的分布特性[16]。截取流场特征截面分析动力段各通道速度分布情况，图9为风扇中轴线x轴截面速度分布情况，图10显示了单独通道风扇中轴线y轴截面速度分布情况。

图9 风扇中轴线x轴截面速度分布云图

对比各通道速度分布变化情况，各通道风扇为同向旋转，由入口至支撑叶片处的通道内流动速度分布一致，而气流流过支撑之后进入扩张通道则速度分布发生变化，并列的风机通道间的流动会相互影响。

导流片使气流速度降低并转向，气流运动至出口处的速度分布不均匀。

4.3 出口气流特性分析

每个通道吸入的气流流经风扇，轴向速度增加，且随风扇转动增加了周向旋转运动，每个通道形成单独的旋转涡尾迹，并列的20个通道出口气流汇入下方拐角段，气流在联通的洞体内掺混，并经过拐角导流运动到出口处。图11为风洞喷口出口位置的速度分布云图。由图11可知，风机各通道吸入的气体经过气流自主诱导掺混以及导流片整流后，气流掺混不充分，气流速度分布不均匀，且明显保留着单通道涡形态。

图10 单独通道中轴线y截面速度分布云图

图11 出口速度分布云图

4.4 风机吸气特性分析

应用流动迹线分析风机吸入的气流空间来源，选取通道入口所在远场区域，沿坐标轴方向截取远场面做流动迹线，如图12所示。

由图12可知，吸入气流的流动速度较低。-x方向大部分气流均匀流入相对位置的通道内，其中两侧4个通道及中间4个通道进气量较少；而x方向少部分气流流入中间部分的通道9～12，两侧剩余通道进气量较少。-y方向气流流入-y方向上部分通道，其中通道1进气量最大，通道2～6依次递减，其余通道基本无-y方向气流进入；y方向气流流动形态与-y方向流动基本对称，通道20进气量最大，通道19～14依次递减，其余通道基本无y方向气流进入。以通道入口平面为基准，z方向位于通道上方的气流大部分由风机卷吸进入中间位置的通道5～15，两侧通道进气量较少；z方向位于通道下方的气流会被风机卷吸进入通道，各通道均进气量较小。

图12 沿坐标轴方向上游气流流动迹线分布图

4.5 风机吹气特性分析

根据风机下游流动迹线分布情况分析风洞洞体模型的吹气特性，如图 13所示。由图13可知，动力段各通道出口流动速度分布不均匀，且方向不一致。其中，中间位置的通道在导流片前方位置流动速度较低，且有漩涡。气流通过导流片减速后，仍保持其旋转特性。

图13 风机下游流动迹线分布图

综上所述，半直流式风洞动力段流场特性数值模拟结果表明，采用混合面模型可以反映出流场的基本特性，气流由该风洞动力段上游空间不同位置吸入各通道，通过风机加速后流入拐角段使气流转向，在收缩段和稳定段气流发生掺混，各通道气流相互影响，导致出口气流速度分布保持了一定的单通道气流旋转特性，并使气流迹线在下游远场发生周向旋转。

5 结论

分析某半直流式风洞稳定运行状态数值模拟结果，得出以下几点结论：

(1) 风洞动力段各风机通道内的气流由上游空间不同位置吸入，各通道相互影响使不同风机通道质量流量存在一定差异；

(2) 风洞动力段二十个通道在收缩段和稳定段气流发生掺混，影响了各通道气流流动特性，导致各通道内气流速度分布有一定差异；

(3) 风洞出口气流速度分布不均匀，保持单通道气流旋转特性，气流迹线在下游远场发生周向旋转；

(4) 混合面模型能够有效简化风机流场，适用于带风机模型流场特性的数值模拟。