高空条件下喷水冷却对压气机性能的影响＊

2021-12-17闫志男胡锡文夏国正邓庆锋

风机技术 2021年5期

崔凯闫志男胡锡文夏国正邓庆锋

（1.中国核电工程有限公司北京核化工研究设计院；2.中国船舶集团第703研究所）

0 引言

作为具有“常规战略武器”之称的高马赫数飞行器，其优秀的突防能力、即时高精度打击能力，已逐步成为未来空天力量发展的关键，而高超声速飞行器对动力系统有着苛刻的要求。

研究发现，随着飞行高度和飞行速度的增加，愈发恶劣的工作环境，空气在粘滞作用下使气流的动能不可逆的转变为热能[1～2]，而过高的气流温度很可能形成旋流畸变导致飞行器变形，刚度、强度降低，影响飞行安全[3～4]。同时，高温会使气流密度减小，进而导致进气质量流量减小，发动机的推力也会随之减小[5]。高超声速飞行条件下，采用射流预冷技术（MIPCC）可有效降低进气温度、扩展飞行包线的同时，提高发动机质量流量进而提高发动机推力[6～8]，实现发动机高温部件有效降温，提高发动机寿命。

Kim等[9]，Mahto等[10]对射流蒸发时的传质传热过程进行热力学分析，模拟验证了射流预冷技术在热力学方面的可操作性。Burkardt 等[11]和Henneberry 等[12]分析论证了射流系统的构造，并探究不同冷却介质对于提高飞行马赫数和发动机性能的作用。侯圣文[13]和夏国正[14]等人对不同工况下，吞雨量、水滴粒径和水滴速度对压气机性能的影响进行研究，表明适当吞水有助于降低进气温度，提高循环效率。李成[15]基于冷却介质对工质物性的影响，发现射流预冷可以有效扩展涡轮火箭发动机的工作范围，在高马赫数下极大提高发动机的单位推力。2012 年，赵巍[16]等人研究发现，注入冷质和液氧会降低马赫数冷比和空压比，提高发动机的最大飞行速度和单位推力，但是比冲会有所降低。

本文运用模化理论[17]对高空状态下的压气机的相似工况点进行求解，得出不同飞行高度和速度下的运行数据，并针对不同的喷水条件对压气机性能的影响进行数值分析，探究喷雾粒径、喷雾量以及不同工况对压气机的影响。

1 边界条件与收敛准则

1.1 边界条件

为了节省计算资源，选用单通道进行数值模拟。动静叶交界面选用Stage(mixing-plane)方案。在叶栅进出口区，沿叶栅方向应满足周期性边界条件。假定壁面边界条件为绝热无滑移。

本文以10km、1.5Ma和25km、3.5Ma为研究对象，比较在不同飞行工况下射流预冷对压气机性能的影响。为了提高收敛性，进口给定总温、总压，出口给定静压边界条件。10km 工况下,依据压气机相关参数计算出进气道出口处的总压为97043.5Pa 总温为323.8K，依据模化理论，选择背压为140487Pa。同理在25km 工况下，边界条件为进口总压191402Pa，进口总温726.452K，出口背压为279047Pa。

1.2 喷水设置

假定水滴在进口截面随机分布，水的温度为288.15K，水滴初速为50m/s，为比较不同喷水量对压气机性能的影响，本文分别设置三组不同的喷水量作为对比，即相似工况下质量流量的0.5%、1%、2%。同时，为了比较不同的水滴直径对压气机的影响，本文对比了5μm、10μm、15μm 及20μm 四组不同的水滴直径。假定水滴分布符合Rosin-Rammler分布函数，表达式如下:

式中，dˉ为液滴的平均直径，n是Rosin-Rammler分布参数，R是颗粒直径大于d的颗粒质量分数，0 ≤R≤1，对于喷水问题，n的取值范围一般为1.5～3.0,本文取值为2.0[18]。

1.3 计算收敛准则

本文运用Ansys CFD进行迭代求解方程，当所得两次结果之差即残差值＜10-6，或者各项参数值趋于恒定就可以认为计算结果已经收敛。

2 数值方法及网格无关性验证

2.1 数值方法

本文中水蒸气与空气共同组成连续相，液滴颗粒作为离散相，根据质量、动量和能量守恒定律可建立连续（离散）相控制方程。在水滴蒸发模型的基础上，利用有限体积元法对相控制方程进行离散，通过RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）方程的源相实现离散相和连续相的双向耦合。为了提高计算的稳定性，本文在高雷诺数时选用标准k-ε湍流模型，低雷诺数时，Scalable 壁面函数法因其计算量少，准确性高，在工程计算中应用广泛。液滴喷射过程中，远离喷嘴的下游区域，如果液滴的加速方向与密度梯度方向不一致，就会在液滴表面生产RT 扰动，从而引起液滴二次破碎。故本文选用CAB(Cascade Atomization and Breakup)气动力破碎模型及液滴撞壁破碎模型。两相流动中，液滴碰壁反弹作用的切向和法向系数都设为0.5。

2.2 网格无关性验证

为了排除网格总数对数值模拟结果的影响，本文在压气机设计工况下，利用不同网格下压气机出口总压分布情况进行网格敏感性验证。如图1所示，网格总数分别为729858、2468778、3261544的总压分布曲线相当接近，最大处的误差不超过0.5%。意味着，选用729858 网格模型进行相关研究时，对数值精度的影响可忽略。

图1 不同网格出口总压对比Fig.1 Comparison of outlet total pressure of different grid

3 结果与讨论

3.1 喷水冷却对压气机流场的影响

以25km、3.5Ma 喷水量1%(0.24129kg/s)，水滴平均直径为10μm 时为例，如图2 所示，压气机流道内，水滴的温度逐渐升高，静叶出口温度达到最大值。一方面，水滴在高温环境中与周围空气进行了强烈的热交换，使水滴温度升高，另一方面，液滴与叶片表面发生碰撞摩擦，受气体粘滞作用，不可逆热耗散使液体的温度升高。

图3显示了液滴在动叶中的分布，由于水滴的惯性使得水滴主要集中在压力面，而吸力面上的液滴较少，说明水滴在撞击叶片后发生二次破碎，形成更小的液滴。

图2 水滴运动示意图Fig.2 Diagram of a droplet movement

图3 动叶处液滴分布图Fig.3 Diagram of a droplet distribution at rotor blade

图4 给出了水滴在压气机内部的三个不同状态。图4(a)为初始时刻，水滴位于同一水平面内，大小不等呈现随机分布。图4(b)为水滴在压气机动叶前的状态，受气动破碎及惯性作用，粒径大的水滴位置相对于颗粒小的水滴靠后，水滴呈现出阶梯式分布。图4(c)为压气机出口处的水滴分布，显然水滴仍未完全蒸发，但是水滴的粒径变得更小，剩余的水滴会流入下一级压气机继续蒸发。同时，在绝大部分水滴流出压气机后仍然有一部分水滴停留叶顶间隙处。

图4 水滴运动瞬态捕捉图Fig.4 Diagram of transient capture of droplet movement

3.2 喷水冷却对温度场的影响

为探究不同工况对喷水冷却效果的影响。由图5知，低马赫数时，级出口温度下降幅度较低，1%喷水量(0.18248kg/s)时，出口平均温度为339K，较未喷水时降低33K，同比下降约9%。而高马赫数时，出口平均温度为733K，相对于未喷水时降低了约100K，同比下降约12%。高马赫数条件下，来流温度高、温差大，降温效果好。

图5 不同马赫数下的温度场分布Fig.5 Diagram of temperature field distribution under different Mach numbers

图6 给出了液滴直径为10μm，50%叶高处不同喷雾量下的温度场分布，对比发现，随着加湿量的增加，液体对气流的冷却作用更加明显。对于跨音速压气机，多因素耦合扰动形成激波，温度突然升高，且在激波后动叶吸力面处存在一个狭窄的高温区域，由云图可知，水滴相变吸热能有效抑制高温区的产生，随喷水量的增加，高温区域面积逐渐减小，温度也逐渐降低。

由图7知，随喷雾粒径的减小，液滴体面比增大，相同环境下蒸发更加迅速，带走的热量也更多，则喷雾粒径越小，压气机在动叶流动的过程中温升越小，在静叶流动中的降温效果越好。

图7 不同喷雾量对压气机的影响Fig.7 Diagram of influence of different spray quantity on compressor

图8 喷水前后不同叶高处静温对比图Fig.8 Comparison of static temperature at different blade height before and after spraying

选取1μm，空气流量的1%喷雾量(0.24129kg/s)作为参照。结合图6、图8可知，受到尾缘分离和叶顶泄漏的影响，流道中间和叶片吸力面上的温度上升较快，但叶顶处的最大，一方面由于动叶高速旋转造成的离心作用使得大量的水滴聚集在叶顶处，另一方面，叶顶的温度比叶根处高，使得叶顶处的水滴蒸发的速度较快，所以喷水后的温度降低更加明显。