波转子内部流动分析 刘火星.docVIP

中国工程热物理学会 热机气动热力学 学术会议论文 编号：092051 波转子内部流动分析 刘火星 姜冬玲 邹正平 （北京航空航天大学航空发动机气动热力国防重点实验室，北京 100191） （Tel：01082316418 Email：liuhuoxing@buaa.edu.cn） 摘要：为进一步了解波转子内部流动机理，本文利用数值方法分析了径流与轴流波转子内部流动，得出以下结论：模拟的流场特征与设计要求相符，计算结果充分显示了波转子内不同能量密度的气体实现能量交换的过程，同时也显示了端口非瞬时开放等非定常过程的影响。 关键词：波转子 数值模拟 激波 0 前言 目前，要提高现有常规燃气涡轮发动机的性能有两种主要的方法：改善压气机和涡轮的效率或通过增加涡轮进口温度改善循环的热力学过程。从热力学观点看，增加涡轮进口温度是改善整体热效率和功率系数的最有效方法。然而，气体进入涡轮的最高温度由材料条件所限制。波转子技术则可以突破这一限制，可使气体进入涡轮的温度小于循环峰值温度，即可在不提高涡轮进口温度的基础上提高循环峰值温度。现有理论计算表明，采用波转子增压循环的发动机可在不提高旋转部件温度的情况下，使发动机的总增压比增加，峰值温度提高25%到30%,大大改进发动机的效率和单位功率，从而大大降低发动机的污染排放，减少燃油的供给量。 波转子是一种利用激波对不同能量密度的气流进行能量交换的设备。它的主要作用是使压力和温度状态不同的气流进行能量交换，温度压力高的气流减压降温，温度压力低的气流升温增压。这一过程利用的就是激波前后的压力突升和膨胀波使气流压力降低的特性。波转子增压循环发动机正是利用波转子的能量交换特性才使发动机的总体性能得到很大改善。 波转子技术的研究历史虽然很长，但仍存在很多问题。除了非定常流动问题的复杂性、非设计状态问题以及选择最佳波转子结构时的不确定性之外，还存在很多工艺实现上的问题，如密封问题和热膨胀问题。这其中波系的组织技术是关键技术之一，波转子的核心原理是非定常流动的认识与利用，到目前为止，人们在这方面的积累仍有待进一步加强。 本文研究的主要目的是进一步了解波转子内部流动机理，采取解析分析及数值模拟的方法分析波转子内部流动结构，力求为波转子设计提供参考。 2 波转子基本工作原理 为表示四端口波转子是如何工作，现在描述一下通流四端口波转子一个循环内的各种过程。这个过程从波动图的下部开始，下部通道的两端都是关闭的，里面是低温低压的流体。对于回流波转子结构，通道内的流体包括一大部分的热气和由交界面分开的一 基金项目：武器装备预研基金项目(9140C4103090803) 个缓冲层。对于通流波转子，通道内只有燃气。当通道运动后，通道右端逐渐打开，与相对低压的出口端接触，会在出口端的边缘产生膨胀波，并向通道内传播，这时只有燃气离开波转子去往涡轮。膨胀波在左端壁反射，进一步降低通道内流体的总温和总压。这样，当进口端打开时就可以吸取压气机的新鲜空气进入通道。当反射的膨胀波到达出口端时，它使流动减慢，并反射回压缩波，同时关闭出口端使通道内流体停止。当压缩波束向进口端运动时会形成一道激波。当激波到达通道左端时，进口端关闭。这时，通道内的流体相对转子是静止的。 上面这一过程叫做循环的低压部分（清除过程）。这一过程的目的就是将高压燃气送入涡轮，部分的清除转子通道，并吸进压气机的新鲜空气。在紧接着的循环高压部分（进气过程），转子通道开始接触来自燃烧室的燃气。当进口端打开，热燃气（驱动气体）穿过通道。既然燃气的压力比通道内气体（被驱动气体）压力高，在进口端的底角将会触发激波。激波穿过通道，使通道内气体的压力产生突升。当激波到达通道末端时，出口端逐渐的开放，在下面的出口端边缘将产生反射激波，反向传播回通道。反射激波补偿燃烧室内的压力损失。反射激波后经过两次压缩的流体离开波转子进入燃烧室。在回流波转子结构中，进入燃烧室的流体完全是空气，而通流波转子结构中，空气和已经燃烧过的燃气都将进入燃烧室。详细的流体流动显示，在通流结构中，大约有30%到50%的燃气再一次进入燃烧室。一种想要的情况是当反射激波到达左端时关闭燃气进口端。这时在进口端的上角落产生膨胀波，朝通道的另一端传播，此膨胀波将最终使通道内的流动停止。当膨胀波到达通道末端时，出口端逐渐关闭，转子通道内的流动停止。这时，流体没有速度，是循环最高温和最高压力的状态。现在已经准备好通过低压过程再次出气进入涡轮，即开始下一次循环。 2 数值计算方法 本文利用FLUEN