第15卷第2期2000年4月航空动力学报JournalofAerospacePowerVot．】5NO．2ADr．2000文章编号：10008055(2000)O20215一叫直升机粒子分离器三维两相流场的数值模拟蛭芒盏篷(清华大学工程力学系燃烧组．北京100084)(西北工业大学七系，陕西西安710072)≥／／,3；了值、蛳桐晒机关键词：墼王：坌曼堡相；流动；墼堕蔓垫、三强硐所阻■哥J中圈分类号：v211．3文献标识码A1引言粒子分离器安装在直升机发动机前端．它有效分离砂粒才能保证发动机正常工作。了解和掌握它们的流动结构和特性，对设计粒子分离器和提高其性能有极大的作用。从目前国内外粒子分离器数值模拟的现状来看，所有的计算都局限于二维流场和粒子轨迹计算一．对于有叶片的粒子分离器流场计算还仅限于二维无粘流场．叶片对流场的影响还没有考虑到-。这些忽略因素必会给粒子分离器的数值模拟带来误差。另外，粒子分离器具有其非常独特的结构：环形分叉流路．内壁型面弯曲大，内外流路流动状态差异大以及叶片在流道中的存在，这些都给数值模拟带来相当大的难度。针对上述问题．本文对粒子分离器进行深入研究，数值模拟三维湍流有粘分叉流场及三维砂粒运动。2控制方程及数值求解在曲线坐标系(，，y)下，三维湍流的基本微分方程以强守恒形式用以下统一形式表示：妥(．)+刍()+()一妄．．+~(ro7+c】+sy)×|，+S(】)针对粒子分离器这一独特结构，边界条件有其特殊性，对于弯曲壁面采用三维非正交曲线坐标系下壁面函数处理；对于环形分叉流路．分叉结构视为流场中的堵块处理，内外流路的出口不仅满足全局质量守恒，而且还必须满足清除比(清除流流量与主气流流量之比)要求；在三维环形粒子分离器计算中，由于旋转3O。，前后旋转面必须采用周期性边界条件；在有叶片粒子分离器计算中，采用分块计算叶片通道流场及叶片后分叉流场。结台上述边界条件，对控制方程采用有限体积法离散，交错网格布局，SIMPLEC算法求解整个流场由于粒子浓度属于稀疏悬浮流，主要考虑气相流场对粒子的作用。对粒子运动的描述采用拉格朗日方法进行，在曲线坐标系下，砂粒的运动方程和轨迹方程分别如下：收捕日期：1999—03-10I修订日期：1999-06-10作者筒介{侯凌云(19-)．女．北京清华太学工程力学系燃烧组，博士后duPdtdvdtdwdtt2)蜥．维普资讯http://www.cqvip.com航空动力学报第l5眷dt一一+u-]一，+"、㈤警一一上述方程中各变量的含义见文献E43由于在粒子三维轨迹运动中，砂粒会与叶片及壁面进行反复碰撞，所以粒子轨迹运算中必须考虑碰撞的影响故本文对三维碰撞采用如下经验公式：V2=12．03t9．一3．322．240．472(4a譬一1+。．4。9．2．52一2．19～0531卢(4bj其中，V．，为碰撞前后的合速度，一，卢：为碰撞前后台速度与碰撞面的夹角在实际运算中，反弹后速度“，。．w。的求解相对复杂，具体见文献r4一。3结果和讨论某叶片粒子分离器在进口安置了12片预旋叶片，在主流路人口安置了18片反旋叶片，在清除流路人口安置了8片清除叶片从预旋叶片、反旋叶片和清除叶片的数目来看，它们各不相同．不可能在流动中形成一个通道．因此在三维计算时无法同时考虑3种叶片的影响，鉴于3种叶片中预旋叶片对于粒子分离器的分离效率有最大影响，所以在实际计算中仅考虑预旋叶片作用。为实际研究预旋叶片对整个流场的影响．将流场分为叶片通道流场及叶片后分叉流道流场。在设计状态时进口流量为5．262kg／s．清除比为l6．叶片流道计算采用如图1(a)所示的21×22×ll贴体曲线网格，叶片后分叉流道计算采用如图1(b)所示的32×22xl】贴体曲线网格图2为k一6截面两部分速度等值线图，由图2可看出，在叶片通道中由于人口无旋流，各截面流动速度较为均匀，但在叶片通道出口，由于叶片形状．形成了旋流效应，造成在清除流道中有一回流区存在，这一位置正是清除叶片安置位置。另一方面，由于实际计算中没有考虑清除叶片的影响，l6％的清除比致使主气流产生较大的下拉作用，导致此段流场出现回流，这正说明清除叶片安放的必要性(a】叶片通道(b)叶片后分叉藏道图】有叶片粒子分离器网格F———————：L，二=(a)叶片通道(b)叶片后分叉藏道图2K=6截面速度筹值线图图3为当清除流分别...
