基于ANSYS FLUENT的排氣擴壓器流場分析與研究

王平 楊林森 徐玉萍 黃世龍 郭倩伶

（成都工業學院網絡與通信工程學院，四川 成都 611730）

引言

排氣擴壓器的作用是將發動機排出燃氣的部分動能轉換成壓力能，真實模擬發動機排氣反壓和環境壓力條件[1]。它是高空試車臺排氣系統，將被試發動機的高溫、高速燃氣進行減速、降溫、降低噪聲，從而使燃氣順利地進入引射器（抽氣系統）或排入大氣的關鍵部件之一。對于高空試車臺，排氣擴壓器可在保證發動機排氣膨脹比的前提下，在一定的試驗范圍內充分利用發動機排出燃氣的能量，提高高空試車臺模擬高度，節約能源、擴大高空試車臺工作范圍[2]。

在高空臺模擬發動機性能時，通常噴管后面接高空臺擴壓器，噴管的射流對高空艙內的氣流起引射作用。通過調整擴壓器出口的壓力，可以使高空艙內的壓力達到所要模擬的環境壓力。由于主流和次流相互摻混、邊界層的發展，回流區的出現，在高空臺擴壓器中存在非常復雜的流動現象[3]。這將嚴重影響高空臺后艙壓力的控制。

排氣擴壓器是一個氣動部件，通常由一等直段的排氣混合段和一具有小擴張角的亞聲速擴壓段組成。其結構示意圖如圖1所示。作為氣動混合段，要求排氣擴壓器有足夠的通道面積，保證高空艙內的全部氣流以較小的流動損失順利通過[4]。

一、排氣擴壓器幾何模型

本次分析針對圖1所示高空臺用小排氣擴壓器。由于在實際的排氣擴壓器中存在兩個空氣入口，因此在SOLIDWORKS中建立了如圖2所示的三維模型。從結構上，該排氣擴壓器將漸縮段、等直段和擴壓段三個部分，簡化為等直段便于分析。該模型分為三個入口，從上至下分別為入口1、入口2和入口3，以及一個出口。

二、排氣擴壓器有限元模型

（一）仿真環境

此次仿真選用ANSYS FLUENT平臺，FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%，凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能，在航空航天、汽車設計、石油天然氣和渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。

（二）網格劃分及處理

網格的大小應該控制在一個適當的尺寸，以保證精度和計算效率。針對排氣擴壓器進行粗算，選擇了以最優等級自動劃分網格，共得到1298個單元，1403個節點，網格質量較好。（圖3）

三、排氣擴壓器流場分析

求解時，使用標準的k-e湍流模型，其余參數保持默認。初始時，設置排氣擴壓器管壁是鋁，內部是理想氣體。設置速度入口的條件為：速度15m/s，初始壓強32KPa，初始溫度275k。排氣擴壓器的入口2是高溫燃氣，設置速度入口的條件為：速度400m/s，初始壓強32KPa，初始溫度775k。排氣擴壓器的出口是增壓后氣體，設置壓力出口的條件為：標準壓強100KPa，回流總溫600k。

邊界條件設置完成后，進行求解器設置。初始化設置是從入口2開始求解，并進行全局初始化。然后設置迭代步數為400，進行計算。

四、流場分析結果及分析

當迭代步數計算完成后，可得到連續性方程，XYZ三個方向的速度殘差，k湍動能方程，ε湍動能耗散率方程的收斂曲線均收斂完成。將計算結果放入CFD-POST中進行后處理，可得到排氣擴壓器流場速度矢量圖，如圖4（a）所示；排氣擴壓器流場速度云圖，如圖4（b）所示。

從圖4（a）可以發現此時流場速度最大值在到達排氣擴壓器的前端，燃氣速度在燃氣與理想氣體的交界面產生混合，速度降低，并形成回環流動；從圖4（b）可以清晰地看到回環流動的位置，以及燃氣速度的變化，氣體最大速度為430m/s，在進入排擴后速度下降，最后排出時速度為320m/s。

為了進一步發現入口1速度對計算次數，壓強、最大速度及最大溫度的影響，于是設計了表1所示的6組實驗。

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從表1可以得出，隨著入口1理想氣體速度的增加，出口處氣體最大速度增加，最大溫度下降，同時迭代次數增加。

五、結束語

利用solidworks 創建了排氣擴壓器的三維幾何模型，并基于ANSYS FLUENT環境對排氣擴壓器進行了流體動力學研究。通過流場分析，得到了排氣擴壓器在三個入口一個出口情況下的流場分布速度矢量圖和速度云圖，并分析了入口1速度對相關參數的影響。根據這些規律可以為今后排氣擴壓器的設計和使用提供以下3 點參考和意見：1.排氣擴壓器將入口2的高溫高壓燃氣進行了降溫、擴壓、降速，處理后的氣體可順利排入大氣中；2.空氣入口速度增大將導致排氣擴壓器出口流速增加，溫度降低，壓強增大，但迭代次數會增加，導致計算時間上升，因此空氣入口速度需要綜合工況進行設置；3.排氣擴壓器工作時會在內部產生兩個低溫低壓的回環中心，可根據中心位置設置排氣擴器的幾何尺寸。