发动机的发展离不开试验, 试验测试技术是发展先进航空发动机的关键技术之一, 并成为检验发动机性能的标准^[1-2]。在小型发动机的整机测试中, 传感器的大量布置会在一定程度上影响整机流场, 测试结果也会受到流场的影响, 进而影响发动机的性能与调整^[3]。因此传感器对流场造成影响的因素以及影响程度、传感器布置方案的分析, 显得尤其重要。

李正^[4]以二级低速轴流压气机为基础, 研究探针对压气机性能的影响。发现叶型探针几乎不影响压气机平均流场结构; 探针尺寸越小对流场的影响越小; 当多级压气机上有多个叶排都安装了叶型探针时, 对压气机产生的影响由单个叶排上的最大堵塞比决定。

杨荣菲等^[5]利用数值计算的方法, 评估测试探针支杆对压气机气动性能的影响, 发现较无探针情况, 带探针的压气机特性曲线整体向左下方偏移, 随着支杆增加, 偏移量增大, 支杆的安装位置对特性曲线无影响。

杨伟昊等^[6]采用非定常的数值方法, 对屏蔽式总温探针的流动与换热特性进行了研究, 结果表明在高来流马赫数下, 速度误差对进出口面积比的变化较为敏感。

王肖等^[7]对单点和四点梳状总压探针的堵塞效应进行了研究, 结果表明总压探针的插入使得被测流场流量减小, 相比于探针结构, 堵塞效应受堵塞比的影响更大。

近壁测量时，壁面与探针的相互干扰会严重影响原本流场结构，引起测量误差^[8-9]。郑光华等^[10]基于数值计算, 研究了不同近壁距离对总压探针测量结果的影响, 并与文献进行对比, 结果表明, 相对近壁距离越小, 总压探针测量误差越大, 且当近壁距离大于3倍探针直径时, 临壁效应消失。

本文建立了总温探针和总压探针三维计算模型, 通过FLUENT数值仿真软件, 研究探针在压气机进口级流道中的测量结果以及探针对流场的影响。针对探针的测量精度, 分析探针测量误差随工作状态(巡航、最大连续、起飞)的变化情况, 分析不同探针结构对测量误差的影响; 针对总压损失系数, 分析探针在不同的飞行状态下对流场的影响。

1 数值模型 1.1 计算模型

计算域选取某涡轴发动机压气机进口级流道, 如图 1所示, 流道中流体做向心运动, 垂直中心轴线方向流入, 平行中心轴线方向流出。计算域进出口分别延长了40 mm, 保证气流的均匀及稳定。入口截面距中心轴线205 mm, 入口截面宽度47 mm, 出口截面底端距中心截面30 mm, 出口截面宽度65 mm, 整个流域在轴向上长93 mm, 在流域内周向均匀分布5处支板。出口截面流向为y轴正方向, 中心轴线到进口截面方向为z轴正方向, 另一方向即为x轴。

图 2为总压及总温探针模型。总压探针为腔体结构, 前缘为半径1.2 mm的半圆状, 深度7.8 mm, 壁厚0.5 mm, 前缘开有4处引流孔, 自上往下, 各孔之间的间距为10.5 mm, 11.9 mm, 13.7 mm, 其中最底端引流孔距探针底部3.75 mm, 引流孔直径1.6 mm, 整个探针高50 mm。总温探针套管皆嵌入支杆内部, 为前后流通结构, 套管总长10 mm, 外径为4 mm, 入口段内径2.4 mm, 出口段内径1.6 mm, 套管间距8 mm。

图 3为总温和总压探针的安装位置。探针在压气机进口级截面通道内共有3个安装位置, 与yz平面的夹角分别为5°, 115°和245°。分别命名为1号探针、2号探针和3号探针。

1.2 网格划分

利用ANSYS ICEM对计算模型进行进一步处理并划分网格, 整体采用非结构体网格, 在探针附近进行局部加密后设置1.3的增长比, 探针近壁面及计算域壁面处采用边界层网格, 保证近壁面y⁺为4左右, 并且在近壁区内设定10层边界层网格。网格数量达到450万以后, 进出口总压比基本稳定, 可认为此时网格数量对计算结果的影响可忽略, 故将数量大于500万范围的网格作为本文计算网格。数值计算的全部残差曲线收敛至1×10^-5以下。图 4表示网格划分及边界层处理。

1.3 边界条件

数值计算采用Fluent18.0软件完成, 所有算例皆基于压力求解器进行稳态流动求解, 计算域中流体选用理想气体。入口选择压力入口, 设定入口的总温、总压, 流动的方向; 出口选择压力出口, 设置为一个大气压, 流动方向垂直于出口边界, 其余边界皆设置为绝热无滑移壁面。通过改变无探针时出口的背压来实现有无探针时的进口边界条件一致。入口的总温及总压, 计算公式如下

(1)

(2)

式中：T_t为入口总温设定值；p_t为入口总压设定值；T_free为自由来流的环境温度；p_free为自由来流静压；Ma_free为来流马赫数, k为气体的比热比。根据给定的条件可计算出不同的边界条件, 表 1为不同工作状态气动参数。

1.4 参数定义

对于总压探针, 有总压测量误差Δ，表示对于同一位置, 未放探针和放探针之后总压值对比, 计算公式如下

(3)

式中：p_t为计算域内未放置探针时同一位置处的总压值；p′_t是感压管内部的总压值。

对于总温探针, 用总温恢复系数来衡量总温探针的滞止效果, 计算公式如下

(4)

式中：T′_t是探针的总温测量值；T₀是气流的静温；T_t是未放置探针时同一位置的总温。

除了对探针测量误差的评价, 本文还研究探针的放置对流场造成的影响, 评价参数如下:

总压损失系数

(5)

式中: p_{t, i}表示截面i总压平均值; p_{t, in}表示来流总压; ρ表示气体密度; v表示气流速度。

速度不均匀度

(6)

式中：S_vi是i截面速度的均方差值；是i截面速度的平均值。

2 结果与讨论 2.1 发动机不同工作状态对探针测量结果的影响

本节具体分析不同质量流量、不同安装位置的探针对其测量结果的影响。其中四点总压探针的滞止效应发生在一个连通的腔体内, 因此, 在腔体内部取一条直线上的总压平均作为测量所得总压值, 取值曲线如图 5所示。总温测量值采用热电偶结点表面的平均总温。对比参数取的是未放置探针时, 沿流程探针所在截面的总压/总温平均值。

图 6是发动机在3种工作状态下, 不同位置的总压测量误差曲线图。

如图 6所示, 测量误差随着质量流量的降低而逐渐减小, 这是因为随着流量降低, 来流流速逐渐减小, 探针对流场的扰动逐渐减小, 在探针处的速度梯度逐渐减小, 因此误差逐渐减小。由于此通道中的流体作向心运动, 流动方向发生了90°偏转, 在通道内发生弯转效应, 在近探针安装侧壁面压力减小, 而流体由于在探针前缘滞止, 速度越小横向压力梯度就越小, 因此其测量误差越小。就2号探针而言, 当发动机工作状态从起飞变换到最大连续时, 流量减小0.201 kg/s, 测量误差降低0.03%, 再从最大连续工作状态变换到巡航状态时, 流量减小0.567 kg/s, 测量误差降低了0.16%。此外, 不同位置的探针产生的测量误差也不同, 从图 6中可知, 1号探针测量误差最大, 3号探针次之, 2号探针产生的测量误差最小, 换言之, 距离壁面越近, 产生的测量误差越大。且随着工作状态的改变, 不同位置探针之间总压测量误差的差值几乎相同, 1号总压探针比2号总压探针误差高0.06%, 比三号总压探针误差高0.02%。

图 7为支板附近静压云图及流线图。通过对比图 7a)和7b), 发现不存在支板时, 沿程压力逐渐减小, 当流至弯曲部分, 在弯道外侧壁面的压力未减小, 内侧壁面弯道处压力降到最低。而由于支板的存在, 在支板后缘近内侧壁面处压力稍有增大, 而支板后缘近外侧壁面处高压区面积增加, 这使得沿支板高度方向上压力梯度增大, 增大的压力梯度让气体转弯之余, 在叶片尾缘还形成一股从外侧壁面流向内侧壁面的二次流, 在内侧壁面、支板下游的小范围内压力的升高, 支板下游流线及静压可参见图 7c)和7d), 可以发现由于在支板下游局部的压力升高, 在垂直于流动方向上的压力梯度较无支板处更大, 因此, 在支板下游会产生一股横向的二次流动。当探针安装位置距离支板较近时, 气流的滞止效应受此股横向二次流的影响越大, 导致测量误差越大。

2.2 发动机不同工作状态探针结构对流场的影响

为研究在发动机不同工作状态时插入不同探针对该流道的影响, 本节取3个状态下插入不同探针的进出口截面为研究对象, 分析不同工况下探针插入前后从入口截面到出口截面总压以及速度不均匀度。

图 8为计算结果, 图 8a)为出口截面总压损失系数的影响, 图 8b)为出口截面速度不均匀度的影响。如图 8a)所示, 这是由于流量减小时入口流速降低, 流道中与流道壁面和探针之间的摩擦及冲击作用减弱, 当插入探针时, 小流量工况下由探针产生的尾迹强度和长度都会减弱。此外, 图中数据显示, 未插入探针时由于流道壁面的黏性以及流道的弯转同样存在一定的总压损失, 当发动机在起飞工况时, 流体通过该压气机进口级截面总压就已损失0.37%, 保持发动机状态不变, 在该截面轴向插入3支总压探针后在出口截面总压损失系数增加了0.11%, 若插入的探针更换为3支总温探针时, 出口截面的总压损失系数将比无探针要增加0.37%, 是无探针情况下的2倍。反观图 8b), 不同之处在于, 发动机工况的变化对速度不均匀度的影响很小, 而对该参数影响较大的因素是插入探针的类型, 说明影响速度不均匀度的主要因素是插入干扰物的结构。从数据上看, 无探针时出口速度不均匀度较入口就增加了11.02%, 插入总压探针后损失仅增加了1.02%, 而插入总温探针时则增加了5.91%, 这是由于此处的总压探针是一个前缘为弧面的盒体, 无支杆和向前伸出的感压管, 对流场的扰动较小。

进一步研究探针对出口截面的影响, 从出口截面周向和出口截面径向2个角度分析插入的探针对出口截面总压损失的影响。图 9a)是在该流道的出口截面取的一条曲线, 曲线位置一方面的靠近出口中心位置及靠近主流区域; 另一方面要尽量靠近探针位置, 更好地捕捉由探针引起的总压损失系数的变化。而探针的布置位置在内侧壁面, 因此综合考虑下，取值曲线位于出口截面的中位线往内侧壁面方向偏移8 mm。图 9b)即为在出口截面周向的总压损失系数曲线, 其中三角形实线是未插入探针时总压损失的周向分布, 可以看出在主流区域的总压损失系数都相同, 约为1.25%, 在支板下游对应位置总压损失升高, 最大损失达1.7%, 相对主流区域损失提高了0.45%;当把总压探针插入流场中时, 周向总压损失分布如呈圆形实线分布所示, 可以看出主流区域的总压损失系数并未受影响, 仅在探针一定的角度范围内总压损失发生变化, 在探针布置位置的正下游位置总压损失增加了2%, 局部损失为主流区域的3倍。当插入探针更换为总温探针时, 局部总压损失较无探针增加了3%, 是主流区的4倍。

为研究插入探针后该通道出口截面沿径向的总压损失系数, 在出口截面取正对探针位置的直线, 分析了同一位置不同探针影响和同一探针不同位置的影响。图 10为同一位置不同探针的影响结果, 图 10a)中取值线选取的是1号探针对应的出口位置, 图 10b)是插入不同探针影响出口截面径向总压损失系数的曲线图。如图所示, 当未放置探针时, 向总压损失系数总体呈对称的趋势, 仅在近壁面处由于黏性产生了总压损失, 但在近内侧壁面处的总压损失极值为19%, 而近外侧壁面为15%, 这和之前的分析一致。而当放置不同结构探针时对下游的总压径向分布影响也很大, 当放置的探针为总压探针时, 由于此处的总压探针前缘为流线型结构, 因此只在出口截面径向上造成了一定的压力梯度, 使总压损失在20%径向位置处开始升高, 越接近内侧壁面总压损失逐渐提高, 附面层厚度减小; 而当放置的探针为总温探针时, 首先是由于探针产生的尾迹改变了出口截面沿径向的压力梯度, 此处引起的压力梯度变化较总压探针稍大, 且影响范围更大, 在12%径向位置开始总压损失系数就开始升高, 在接近内壁面处, 约从87%高度起产生了较大的局部损失, 总压损失系数增长迅速, 附面层厚度进一步减小。

图 11是起飞状态下插入总压探针时, 出口截面不同位置沿径向的总压损失分布。此处在出口截面沿径取4个位置, 分别是3个探针所在位置以及未放探针且远离支板位置, 用以对比探针下游和主流区域径向总压分布的区别。从图 11b)可以看出, 方形实线为未放置探针处径向的总压损失分布, 即靠近支板和远离支板位置在出口截面沿径向的总压分布一致, 说明支板对出口截面径向总压分布无影响, 而放置探针的3个位置对应的出口截面径向总压几乎重合, 仅在靠近内侧壁面处1号探针位置的总压损失要稍大于其他2个位置, 进一步说明探针与支板距离较近时会在靠近内侧壁面的位置产生小范围的局部损失。

3 结论

1) 对于探针测量而言, 发动机工作时流量越大会使得探针的测量误差越大, 总压探针测量最大相差0.2%, 总温探针最大相差0.1%, 说明总压探针的测量结果对发动机的工作状态更敏感; 对于不同的安装位置而言, 由于支板引起的横向二次流, 越靠近支板的探针测量误差越大。

2) 流道中插入探针后出口截面总压损失系数增加, 流量越大总压损失系数增加的越多。由于总温探针的支杆直径较大, 总压探针更接近流线型结构, 因此插入总温探针后出口截面总压损失系数较总压探针大0.26%。速度不均匀度受发动机工况的影响较小, 速度不均匀度主要与插入探针结构有关, 插入总温探针时速度不均匀度较无探针增加了5.91%, 总压探针仅使出口均匀度损失增加1.05%。

3) 出口截面周向方向上, 探针及支板对应位置总压损失系数较大, 其中探针对应位置总压损失系数为支板的两倍以上, 越靠近支板位置的探针造成出口的总压损失系数越大。探针对应出口截面径向方向上, 随着径向高度的增加, 总压损失系数逐渐增加, 但不同位置探针的总压损失系数分布相差不大, 仅1号探针在近壁面附近总压损失系数较其他位置较大。