粒子分離器復(fù)雜熱氣防冰問題的網(wǎng)格劃分研究

徐弘歷

（中國航發(fā)湖南航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

直升機(jī)在沙漠、沿海等惡劣環(huán)境中起飛和降落時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)一旦吸入大量的沙土、灰塵和水滴，將會(huì)對(duì)壓氣機(jī)和渦輪等轉(zhuǎn)子葉片造成損傷，堵塞空氣系統(tǒng)流路，降低發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)飛行事故。因此，在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口前安裝粒子分離器來減少雜質(zhì)的吸入是十分必要的。

整體式粒子分離器因其結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)性好和砂塵分離性能好，在全世界眾多渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上使用，如美國GE 公司T700 和T800 系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。整體式粒子分離器利用壁面反彈原理來合理配置鼓包和外壁曲面形狀來達(dá)到清除砂粒作用。含砂氣流在流經(jīng)鼓包時(shí)，因鼓包壁面較大曲率的駝峰狀變化，氣流偏轉(zhuǎn)較大，砂粒在離心力作用下甩向外壁，最終依靠慣性進(jìn)入清除流道。整體式粒子分離器根據(jù)進(jìn)口段是否安裝有帶預(yù)旋角度的葉片，分為預(yù)旋式和無旋式兩種類型。預(yù)旋式粒子分離器進(jìn)口段安裝了帶預(yù)旋角度的葉片，可一定程度增加含砂粒氣流的切向速度，提高了砂粒甩到外壁面所需的離心力。而無旋式粒子分離器主要依靠流道型面的優(yōu)化配置來達(dá)到較高的砂粒分離效率，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量小以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值比較廣泛。

國內(nèi)外對(duì)整體式粒子分離器開展了大量研究，主要圍繞優(yōu)化壁面形狀來提高分離效率和粒子壁面的反彈特性兩方面[1-3]。但整體式粒子分離器除砂塵分離性能外，其進(jìn)氣防冰功能也是重要考核指標(biāo)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)高原、高寒和其他結(jié)冰環(huán)境適應(yīng)能力。目前粒子分離器防冰方法趨于成熟，但大多是以試驗(yàn)為研究手段。STIEFEL[4]對(duì)T800 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣支板積冰現(xiàn)象進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。楊軍等[5]對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口支板進(jìn)行防冰試驗(yàn)表明內(nèi)部流通熱氣能有效防止進(jìn)氣結(jié)冰。試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)和費(fèi)用高的缺點(diǎn)，并且較少的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也很難指導(dǎo)防冰方案論證和優(yōu)化設(shè)計(jì)。而數(shù)值模擬技術(shù)飛躍發(fā)展，張敏等[6]數(shù)值研究整體式粒子分離器進(jìn)口支板的積冰特性，表明99.4%的過冷水滴進(jìn)入清除流道，但主流道進(jìn)口支板有明顯結(jié)冰。

綜上所述，鮮有人對(duì)粒子分離器的防冰能力進(jìn)行較為精確的數(shù)值模擬研究。著手采用數(shù)值模擬研究粒子分離器防冰能力的難點(diǎn)，在于其本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、邊界多樣以及流動(dòng)換熱問題耦合情況，往往很多學(xué)者在復(fù)雜網(wǎng)格劃分方面就已止步，采用極簡(jiǎn)邊界處理。因此本文通過深入剖析某型無旋式粒子分離器功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了多氣路分區(qū)和高效拓?fù)湎嘟Y(jié)合的方法，對(duì)精確化防冰數(shù)值模擬中高質(zhì)量網(wǎng)格劃分有一定指導(dǎo)意義。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為如圖1 所示的粒子分離器，流道呈彎曲分叉型式。進(jìn)氣通道周向?qū)ΨQ設(shè)置5 個(gè)NACA 對(duì)稱葉型葉片，為進(jìn)氣流葉片，葉片內(nèi)部采用迂回復(fù)雜氣腔設(shè)計(jì)，連通進(jìn)氣機(jī)匣環(huán)壁面集氣腔，對(duì)進(jìn)口氣流起不到預(yù)旋作用；主氣流通道5 個(gè)中空NACA 葉型厚支板；清除通道設(shè)置12 個(gè)大刀型整流葉片，與主氣流支板非均勻周向布置；雨水臺(tái)階處存在周向均布通氣孔。

圖1 整體式粒子分離器基本構(gòu)型及氣路圖

防冰熱氣來源于壓氣機(jī)壓縮氣體，高溫引氣從進(jìn)氣機(jī)匣外側(cè)孔進(jìn)入并充滿防冰集氣腔；在從內(nèi)側(cè)壁面開口進(jìn)入進(jìn)氣流葉片前緣，該前緣是最有可能結(jié)冰區(qū)域，需要重點(diǎn)防護(hù)。由前緣進(jìn)入鼓包內(nèi)部的熱氣又分兩路最終進(jìn)入流道，一部分在進(jìn)氣流葉片中迂回流動(dòng)，保證葉身與熱氣充分換熱，最后經(jīng)尾緣方形口流出，其余部分在鼓包內(nèi)的空腔中堆積，通過雨水臺(tái)階處細(xì)小通氣孔冒出。

2 網(wǎng)格劃分

由于粒子分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)滿足氣路采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來保證后續(xù)熱分析數(shù)值模擬精度的要求，網(wǎng)格劃分包含氣路和固體兩個(gè)部分，擬定采用精細(xì)分區(qū)方法。結(jié)合區(qū)域的材料和功能等不同，氣路區(qū)域分為進(jìn)氣流葉片+環(huán)向集氣腔+鼓包前部、進(jìn)氣流前通道、進(jìn)氣流后通道+細(xì)小通氣孔+鼓包后部和主流+清除流，共計(jì)四個(gè)區(qū)域，分別稱為第一至第四氣路區(qū)；固體區(qū)域分進(jìn)氣通道固體區(qū)域和主通道+清除通道固體區(qū)域，分別稱為第一和第二固體區(qū)。網(wǎng)格劃分采用ICEM 商業(yè)軟件，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.2 以上。

2.1 第一氣路區(qū)

第一氣路區(qū)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，構(gòu)建拓?fù)潆y度非常大，存在環(huán)腔、迂回通道和多處出入口，且連通位置存在較大弧度的倒圓角；此外該氣路區(qū)存在一處熱氣進(jìn)氣口和測(cè)量孔。總體上該區(qū)域呈基本對(duì)稱，因此采用旋轉(zhuǎn)方式構(gòu)建進(jìn)氣流葉片熱氣結(jié)構(gòu)拓?fù)湟蕴岣咝省Ｓ捎诖嬖跓釟膺M(jìn)氣口及測(cè)量孔，分三次旋轉(zhuǎn)拓?fù)洌D(zhuǎn)角度為72°。針對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分通過拉伸和切除拓?fù)鋲K等方法處理。第一氣路區(qū)網(wǎng)格劃分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，對(duì)支板前后緣和狹小空間網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。

圖2 第一氣路區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

2.2 第二氣路區(qū)

第二氣路區(qū)呈軸向?qū)ΨQ，流道內(nèi)僅有5 個(gè)周向均布支板外廓，無其他特殊結(jié)構(gòu)，因此采用周期性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角度為72°。第二氣路區(qū)網(wǎng)格劃分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，對(duì)支板前后緣網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。

圖3 第二氣路區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

2.3 第三氣路區(qū)

第三氣路區(qū)呈軸向?qū)ΨQ，流道內(nèi)僅有40 個(gè)周向均布通氣孔，無其他特殊結(jié)構(gòu)，因此采用周期性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)角度為9°，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含單個(gè)小孔拓?fù)洹⑦M(jìn)氣流后通道拓?fù)浜凸陌蟛客負(fù)洹５谌龤饴穮^(qū)網(wǎng)格劃分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 第三氣路區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

2.4 第四氣路區(qū)

第四氣路區(qū)清除流整流葉片和主流支板大小各不相同，且非周向均勻布置，需根據(jù)葉片位置及葉片形狀搭建拓?fù)洌瑹o法建立周期性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用整體拓?fù)洹５谒臍饴穮^(qū)網(wǎng)格劃分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示，對(duì)支板前后緣網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。

圖5 第四氣路區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

2.5 整個(gè)氣路區(qū)

根據(jù)劃分出的不同區(qū)域網(wǎng)格模型拼接出的粒子分離器主流通道的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布如圖6 所示，不同區(qū)域之間通過交界面連接，拼接后粒子分離器氣路區(qū)網(wǎng)格數(shù)量約1 500 萬，網(wǎng)格質(zhì)量0.2 以上見表1。

圖6 整個(gè)氣路區(qū)拼接網(wǎng)格

表1 氣路區(qū)網(wǎng)格劃分方法及網(wǎng)格量

2.6 整個(gè)固體區(qū)

通過熱氣加熱流道和葉片的方法來防止或消除流道表面積冰，而熱氣與冷氣之間熱量交換通過葉片固體導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)。為后續(xù)準(zhǔn)確模擬流道區(qū)域內(nèi)溫度變化和對(duì)固體區(qū)域傳熱情況進(jìn)行求解計(jì)算，在充分考慮實(shí)際模型不同區(qū)域壁厚設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)固體區(qū)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。固體區(qū)曲面依然較多，厚薄不均，狹小空間多，在保證網(wǎng)格密度前提下，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，如圖7 和圖8 所示。

圖7 進(jìn)氣通道固體區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布

圖8 主通道+清除通道固體區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布

3 結(jié)論

按照粒子分離器區(qū)域材料和功能等不同，氣路區(qū)域分為進(jìn)氣流葉片+環(huán)向集氣腔+鼓包前部、進(jìn)氣流前通道和進(jìn)氣流后通道+細(xì)小通氣孔+鼓包后部等四個(gè)區(qū)域，固體區(qū)域分進(jìn)氣通道固體區(qū)域和主通道+清除通道固體區(qū)域，該分區(qū)方法有效降低熱氣防冰結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分難度；建立了高效拓?fù)洌瑢?fù)雜防冰問題的網(wǎng)格質(zhì)量控制在0.2 以上。