高速来流发动机射流预冷及压气机湿压缩特性一体化分析方法

为了研究高空高速来流条件下发动机射流预冷及压气机湿压缩特性,针对发动机进气道部分和压气机部分的气液两相流动过程分别建立相应的计算模型,发展了一体化分析方法。对于进气道喷水后的气液两相流动,采用基于微元段思想的气动效应-蒸发冷却修正两步法建立一维计算模型;对于压气机湿压缩过程,采用基于CFD技术的欧拉-拉格朗日方法对气液两相流动进行建模。利用所建立的一体化分析方法,考虑真实高空高速来流条件,同时保证发动机在喷水前后具有等换算转速调节规律,对发动机射流预冷及压气机湿压缩特性进行分析。结果表明:射流预冷能够显著降低高马赫数来流下的压气机进气温度,使得相同最高物理转速下压气机换算转速提高,使压气机具有更好的气动性能;若液滴在进入压气机前蒸发完全,混入工质中的过量水蒸汽会降低压气机的无量纲转速,使得同换算转速下压气机压比较不喷水时降低;小粒径液滴更快的蒸发作用有助于对高温气流的快速降温,当液滴粒径为3μm和喷湿量为10%时,压气机进气温度较喷水前降低247.13K,同换算转速下物理转速仅为不喷水时的76%。

径向非均匀进气喷湿对跨声速压气机气动性能影响研究

针对湿压缩技术的应用,为了深入认识径向非均匀进气喷湿对压气机气动性能的影响,以某跨声速压气机级为研究对象,采用CFD技术结合欧拉-拉格朗日法对径向非均匀进气喷湿条件下压气机气液两相流场进行数值模拟,对比研究了叶顶、叶中和叶根局部喷湿三种不同径向位置喷湿条件对压气机气动性能及失稳边界的影响规律,并通过喷湿前后流动径向匹配规律及流动结构的变化解释了影响机理。结果表明:叶顶喷湿相比叶中和叶跟喷湿是更好的喷湿方案,叶顶喷湿时压气机压比和效率升高程度更大,且稳定裕度降低程度更低;当液滴粒径小于50μm,喷射速度大于20m/s时,离心力对液滴径向迁移的影响可以忽略不计,液滴在经过压气机级流道过程中几乎不发生径向迁移,蒸发冷却效应只发生于喷湿的局部叶高范围;由于径向非均匀进气喷湿时压气机内部质量流量会向喷湿的局部叶高范围聚集,导致喷湿的主要影响——即轴向速度的降低和轮缘功的升高在喷湿的局部范围程度较弱,而在没有喷湿的局部叶高范围程度较强。

跨音压气机湿压缩过程气动热力特性数值分析

本文采用数值模拟手段,基于欧拉-拉格朗日方法对跨音压气机级的湿压缩过程气动热力特性进行研究。基于数值结果,获得不同喷湿条件下(液滴粒径以及喷湿量)对压气机气动特性的影响规律。结果表明:湿压缩可以提升压气机压比,同时增加进气流量,使压气机总压比-流量特性线向右上方偏移,其效果类似提升了压气机的换算转速;进口喷湿后,在相同进气流量条件下湿压缩增加了压气机耗功,在相同压比条件下降低了压气机耗功;液滴粒径越小,喷湿量越大时,蒸发冷却作用越强,对压气机性能的提升效果越好。

跨声速压气机湿压缩性能及流动特性

以某跨声速压气机为研究对象,采用CFD技术结合欧拉-拉格朗日法对进口均匀喷雾压气机气液两相流场进行数值模拟,研究了不同喷湿条件(液滴粒径和喷湿量)对压气机性能及稳定边界的影响规律,并通过喷湿前后转子进/出口速度三角形、轮缘功及温-熵图过程线解释了性能变化机理。结果表明:湿压缩能够提升压气机的压比和效率,但在喷湿前后不同的工况对比条件下,湿压缩对压气机耗功的影响有不同的趋势——在等流量条件下湿压缩提升了压气机比耗功,在等压比条件下湿压缩能够降低压气机比耗功;喷水后压气机失速流量增大,且失速流量的增大程度跟压比升高的程度呈正相关性;在等流量条件下,液滴蒸发冷却作用会降低转子出口气流温度,使出口气流密度提高、轴向速度降低,引起扭速和轮缘功增大,这是等流量下压气机级压比升高的主要原因;另外,液滴粒径越小,蒸发冷却效果越显著,导致压气机压比、耗功等提升的效果越强;大粒径液滴由于蒸发冷却作用较弱,而液滴破碎效应较强,会带来额外的流动损失,导致压气机效率下降。