基于ANSYS FLUENT的排气扩压器流场分析与研究

王平 杨林森 徐玉萍 黄世龙 郭倩伶

（成都工业学院网络与通信工程学院，四川 成都 611730）

引言

排气扩压器的作用是将发动机排出燃气的部分动能转换成压力能，真实模拟发动机排气反压和环境压力条件[1]。它是高空试车台排气系统，将被试发动机的高温、高速燃气进行减速、降温、降低噪声，从而使燃气顺利地进入引射器（抽气系统）或排入大气的关键部件之一。对于高空试车台，排气扩压器可在保证发动机排气膨胀比的前提下，在一定的试验范围内充分利用发动机排出燃气的能量，提高高空试车台模拟高度，节约能源、扩大高空试车台工作范围[2]。

在高空台模拟发动机性能时，通常喷管后面接高空台扩压器，喷管的射流对高空舱内的气流起引射作用。通过调整扩压器出口的压力，可以使高空舱内的压力达到所要模拟的环境压力。由于主流和次流相互掺混、边界层的发展，回流区的出现，在高空台扩压器中存在非常复杂的流动现象[3]。这将严重影响高空台后舱压力的控制。

排气扩压器是一个气动部件，通常由一等直段的排气混合段和一具有小扩张角的亚声速扩压段组成。其结构示意图如图1所示。作为气动混合段，要求排气扩压器有足够的通道面积，保证高空舱内的全部气流以较小的流动损失顺利通过[4]。

一、排气扩压器几何模型

本次分析针对图1所示高空台用小排气扩压器。由于在实际的排气扩压器中存在两个空气入口，因此在SOLIDWORKS中建立了如图2所示的三维模型。从结构上，该排气扩压器将渐缩段、等直段和扩压段三个部分，简化为等直段便于分析。该模型分为三个入口，从上至下分别为入口1、入口2和入口3，以及一个出口。

二、排气扩压器有限元模型

（一）仿真环境

此次仿真选用ANSYS FLUENT平台，FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

（二）网格划分及处理

网格的大小应该控制在一个适当的尺寸，以保证精度和计算效率。针对排气扩压器进行粗算，选择了以最优等级自动划分网格，共得到1298个单元，1403个节点，网格质量较好。（图3）

三、排气扩压器流场分析

求解时，使用标准的k-e湍流模型，其余参数保持默认。初始时，设置排气扩压器管壁是铝，内部是理想气体。设置速度入口的条件为：速度15m/s，初始压强32KPa，初始温度275k。排气扩压器的入口2是高温燃气，设置速度入口的条件为：速度400m/s，初始压强32KPa，初始温度775k。排气扩压器的出口是增压后气体，设置压力出口的条件为：标准压强100KPa，回流总温600k。

边界条件设置完成后，进行求解器设置。初始化设置是从入口2开始求解，并进行全局初始化。然后设置迭代步数为400，进行计算。

四、流场分析结果及分析

当迭代步数计算完成后，可得到连续性方程，XYZ三个方向的速度残差，k湍动能方程，ε湍动能耗散率方程的收敛曲线均收敛完成。将计算结果放入CFD-POST中进行后处理，可得到排气扩压器流场速度矢量图，如图4（a）所示；排气扩压器流场速度云图，如图4（b）所示。

从图4（a）可以发现此时流场速度最大值在到达排气扩压器的前端，燃气速度在燃气与理想气体的交界面产生混合，速度降低，并形成回环流动；从图4（b）可以清晰地看到回环流动的位置，以及燃气速度的变化，气体最大速度为430m/s，在进入排扩后速度下降，最后排出时速度为320m/s。

为了进一步发现入口1速度对计算次数，压强、最大速度及最大温度的影响，于是设计了表1所示的6组实验。

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从表1可以得出，随着入口1理想气体速度的增加，出口处气体最大速度增加，最大温度下降，同时迭代次数增加。

五、结束语

利用solidworks 创建了排气扩压器的三维几何模型，并基于ANSYS FLUENT环境对排气扩压器进行了流体动力学研究。通过流场分析，得到了排气扩压器在三个入口一个出口情况下的流场分布速度矢量图和速度云图，并分析了入口1速度对相关参数的影响。根据这些规律可以为今后排气扩压器的设计和使用提供以下3 点参考和意见：1.排气扩压器将入口2的高温高压燃气进行了降温、扩压、降速，处理后的气体可顺利排入大气中；2.空气入口速度增大将导致排气扩压器出口流速增加，温度降低，压强增大，但迭代次数会增加，导致计算时间上升，因此空气入口速度需要综合工况进行设置；3.排气扩压器工作时会在内部产生两个低温低压的回环中心，可根据中心位置设置排气扩器的几何尺寸。