液體火箭發(fā)動機(jī)氫燃料渦輪三維非定常流場數(shù)值研究

王朝暉，葉小明

（北京航天動力研究所，北京100076）

0 引言

眾所周知，渦輪內(nèi)部流動的本質(zhì)是非定常的，包含了諸如尾跡、激波、泄露渦、二次流等多種復(fù)雜的非定常現(xiàn)象。而當(dāng)前的渦輪設(shè)計(jì)體系基本上都是基于定常假設(shè)，無法捕捉到內(nèi)部復(fù)雜的非定常流動現(xiàn)象，也就無法更清晰地揭示渦輪內(nèi)部的流動機(jī)理。隨著航空航天以及能源工業(yè)的快速發(fā)展，對渦輪性能的要求也越來越高，某些情況下，先前的定常假設(shè)體系已經(jīng)略顯欠缺，有必要開展非定常流動現(xiàn)象的研究，期望在深入理解非定常流動機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高渦輪的性能。

早在20世紀(jì)80年代，國外就開始了葉輪機(jī)械非定常現(xiàn)象的研究，到現(xiàn)在已經(jīng)有許多學(xué)者對動靜葉排干涉、葉片非定常力等非定常問題做了大量有價(jià)值的研究工作。Dring等人在1982年的研究表明，當(dāng)靜子和轉(zhuǎn)子之間間距為15%平均軸向弦長時(shí)，轉(zhuǎn)子前緣的非定常壓力脈動可高達(dá)相對動壓的80%左右[1]，這意味著它在葉片表面會產(chǎn)生很大的非定常載荷，這對葉輪機(jī)的性能、葉片強(qiáng)度等都會產(chǎn)生非常大的影響。1987年Giles用Lax-Wendroff時(shí)間推進(jìn)格式求解了非定常歐拉方程組，分析了尾跡/轉(zhuǎn)子之間的干涉效應(yīng)，定性地預(yù)測了氣動噪聲和葉片非定常壓力的產(chǎn)生[2]。1993年Aronoe用完全多重網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算了轉(zhuǎn)子葉排間的流動[3]。此外，國內(nèi)方面也有學(xué)者對葉輪機(jī)械的非定常現(xiàn)象進(jìn)行了一系列的研究[4-6]。

液體火箭發(fā)動機(jī)渦輪的特點(diǎn)是小尺寸、小流量、高轉(zhuǎn)速、高壓力（可達(dá)幾十兆帕）、小展弦比和無冷卻，與航空發(fā)動機(jī)用的大展弦比、大流量的渦輪有著明顯的差別。……