陈英涛+赵长宇+刘志刚+徐让书
摘 要：通过数值模拟的方法，研究了某叶栅风洞喷管有横向偏差时，叶栅试验器空风洞的端壁边界层、栅前流场均匀性。得到偏差对叶栅出口流场均匀性的影响情况。
关键词：叶栅风洞；安装偏差；流场均匀性；数值模拟
中图分类号：V211.74 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0013-04
Abstract： By means of numerical simulation， the uniformity of the boundary layer and front flow field in the end wall and front of the cascade wind tunnel is studied when the nozzle of a cascade wind tunnel has a transverse deviation. Thus， the influence of the deviation on the flow field uniformity at the outlet of the cascade is obtained.
Keywords： cascade wind tunnel； installation deviation； flow field uniformity； numerical simulation
1 概述
针对某型叶栅试验器叶栅前流场存在不均匀的情况，通过分析确定了影响的主要因素。一是叶栅试验器试验段前方到稳定段后的试验器流道壁面对流场的影响，二是叶栅试验器的实验件对流场的影响。因此，针对叶栅试验器流场的数值模拟研究将主要围绕这两个方面展开。本文是针对第一个内容进行分析，即在叶栅试验器未安装叶栅实验件时，试验段前部壁面对叶栅试验段前流场的影响。
通过数值模拟，对现有试验器空风洞时，模拟在安装喷管有横向偏差时，对叶栅前流场的影响，流场数据分析中找到影响叶栅出口流场均匀性的主要因素。
2 计算模型
2.1 试验器从稳定段到试验段空风洞的流场模型建立
根据安装的实际情况，风洞喷管收缩段与入口有1mm横向安装偏差。基于结构对称分布的特点，经对称处理后，本文建立了1/2流场三维模型。模型空间结构如图1所示。
本模型划分网格前预先进行拓扑，采用了结构性网格，保证模拟流场的网格质量。该模型的空间拓扑处理及透视结构见图2所示。
2.2 网格划分
计算域网格采用计算流体动力学（CFD）网格划分程序Gambit2.4划分，在整个流动区域网格数量达到450万网格，边界层网格平均间距为0.5mm，5层，厚度0.3mm。流场模型的网格化分和处理如图3、图4所示。其中图3为流场网格的轴测图，图4为收缩段出口与喷管段入口截面的1mm横向偏差的局部放大图。
2.3 控制方程
连续性的控制方程包括质量守恒方程[1]。
（1）
在模型的计算中使用了K-e双方程湍流模型，采用隐式simple算法进行迭代。经过5700步迭代，残差收敛曲线稳定[3]，残差收敛曲线见图5所示。
2.4 初始及边界条件
由于实际实验中，实验没有给出对应状态的入口和出口压力数值。故，根据流场Ma数相似原理，给定了各模拟状态的总压和出口大气压[5]。边界条件具体设定参数详见表1。
3 计算
通过模拟计算得到出口Ma分别为0.75、0.86、0.91时，喷管段入口与收缩段出口的流场情况如图6、图7、图8所示。
从图6至图8的计算结果可以看出，虽然风洞喷管收缩段与入口有1mm横向安装偏差，但流场的横向、纵向切面或出口截面，流场并没有出现突变，只是边界层稍有增厚，在出口截面的Ma数分布还是均匀的。
图9、图10显示了在喷管段入口有1mm横向偏差处Ma数分布的局部区域放大图。
模拟进口Ma为0.86和0.91情况下，出口流场情况如图11、图12所示。
从图11、图12的计算结果基本上与出口Ma为0.75结论一样，边界层稍有增厚，在出口截面的Ma数分布还是均匀的。
4 结果分析
根据上述计算结果，绘出Ma为0.76、0.86、0.91三种状态下喷管出口截面的Ma数分布，如图13所示。
通过图13可以看出，三种情况下，出口截面水平方向Ma数分布情况基本一致。但，由于1mm横向安装偏差存在，流道内流场的均匀性出现变化。在偏差处出现低速的涡流区（蓝色低速区域），导致下游的壁面边界层变厚。
便于分析偏差的影响，将喷管无偏差的该位置Ma数分布与喷管存在1mm偏差的Ma分布曲线放置在同一张曲线图中，得到图14。
如图14所示，出口Ma为0.76、0.911时，喷管安装偏差并没有影响喷管出口流场均匀性。
综上，喷管横向安装偏差形成的台阶尺寸小，基本包含在气流的边界层内，故未对空间大尺度流场造成实质性影响，但会导致下游气流边界层厚度略有变化。在流道向外偏差一侧，边界层为22mm，在流道向内偏差一侧，边界层厚度保持不变，为20mm左右。上述参数满足国军标对于空风洞流场质量的标准。故，喷管安装存在1mm内的偏差不会对叶栅试验器风洞出口流场均匀性产生严重影响。
参考文献：
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