[关键词]燃气轮机；排气引射装置；数值模拟

[摘要]对燃气轮机排气引射装置进行了三维数值模拟，采用非结构网格、Realizable k-ε湍流模型求解三维N-S方程组，得到了全流场速度、压力、温度等的分布情况，并进行了详细分析。结果表明所采用的数值模拟方法较为准确，能充分反映排气引射装置的流场发展情况。对排气引射装置设计具有指导意义。

引言

燃气轮机排气引射装置的实际工作过程包含大量复杂的物理变化，如湍流造成的两种流体间的剪切、卷吸作用，混合过程中边界层与壁面、压力面之间复杂的相互作用，加上粘性干扰、分离涡、真实气体效应等物理现象，使得这一流动过程十分复杂。

本文以计算流体动力学专业软件Fluent为平台，对排气引射装置进行三维数值仿真和分析。Fluent涉及流体流动、传热等工程问题，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的后处理功能，是目前适用性最广的流体力学软件。

1.计算域模型

本文模拟的计算域为燃气轮机排气引射装置内部流场。

1.1计算模型及网格划分

三维几何模型的构造和网格生成均采用Fluent前处理软件Gambit来完成。计算模型及边界类型如图1。

考虑到参数在全流场范围内变化较大，因此采用了非均匀化网格。首先进行线网格划分，控制网格的疏密程度；面单元采用四边形(Quad)结构网格；主流入口之前的体网格采用了六面体(Hex)结构网格，之后则采用了Hex/Wedge非结构网格。

图2为整个计算域网格图。本文网格单元总数约57.41万个，等角扭曲率不超过0.52，网格质量控制良好。

图1引射装置计算模型

图2引射装置计算域网格

1.2边界类型

主流质量流量固定，可作为可压缩气体，故定义为质量进口(Mass Flow Inlet)类型，允许总压随着内部求解进程而变化。

被引射流入口压力和温度值固定，流量和流速未知，定义为压力进口(Pressure Inlet)类型。

引射装置出口因流动为可压，定义为压力出口(Pressure Outlet)类型。

壁面：对于粘性流动，采用默认的无滑移固壁边界。

2.数值模拟

数值仿真的基础是求解三维可压缩湍流边界层的偏微分方程组，它是在流动基本方程(N-S方程)的控制下进行的流场数值模拟，以得到流场内各位置上基本物理量的分布，以及随时间的变化情况。

2.1控制方程

流体流动要受到物理守恒定律的控制，忽略质量力的可压缩粘性气体的N-S方程组描述如下：

连续方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

2.2湍流模型

湍流模型的选取对流场及温度场的准确性影响很大，本文采用标准湍流模型的修正方程Realizablek-ε，具有较好的收敛性，尤其适用于管内流动。

2.3数值解法

采用有限体积法对控制方程进行离散，由于有限体积法是通过离散守恒方程的积分形式来获得离散化方程的，所以能保证得到的离散化方程是守恒性的。离散格式应用了二阶迎风格式。

控制方程求解应用压力修正法，SIMPLE算法，该算法广泛应用于流动和传热过程。

应用隐式方案的分离式求解器。

3.结果分析

通过数值模拟，得到被引射流的质量流量为4.47821kg/s，由引射系数的计算公式，n=16.1%，引射效果十分明显。

相关计算结果如图3～图10。各图可清晰地显示主流对环境空气的引射效应。在整个引射装置内，气流速度、压力、温度沿轴向和径向分布都比较均匀。

图3速度流线图

图3为整个计算域流场速度沿流线分布图。整个流场速度可以分为两大部分，引射之前气流在燃气轮机罩壳中的流动区域为低速区；引射装置内为高速流动区，正是由于主流的高速流动，方能形成抽引作用，将环境空气抽吸进入引射装置。

图4速度分布剖面图

由图4速度分布图可见，除弯管段外整个流场速度沿燃气轮机轴线成轴对称状态。在引射装置之前的环流通道内，气体速度很低；在引射装置入口，由于主流的卷吸作用，该区域径向速度变化最大；至混合段，两股气流掺混急剧，速度变化也十分剧烈；随着混合逐渐均匀，各截面速度梯度不断减小；由于壁面摩擦力的作用，壁面附近区域速度较低。

图5总压分布剖面图

由图5可见，总压径向分布呈现从中心向壁面先增大再减小的趋势；两股气流开始混合处，总压径向梯度变化很大；随着流动的不断发展，总压分布变化趋势没有改变，但径向压力梯度变化减小，说明两股气流的混合逐渐充分。

图6静压分布剖面图

静压分布规律与总压不同。由于速度高，主流在喷嘴处的静压较低，在该区形成了背压，将环境空气卷吸到主流的运动中；在混合段，速度变化剧烈，静压较低；之后随着流动面积增大，流速不断降低，静压逐渐升高；从径向压力梯度角度看，在扩压段之前，静压沿半径方向变化很大；在扩压段中，两种流体混合逐渐充分，静压的径向变化已不明显。

图7总温分布剖面图

图8静温分布剖面图

图7和图8为总温和静温分布，主流喷口的温度很高，速度快，可以给被引射流提供较大的动量与能量；整个流场温度分布是由中心区域向管壁减小，随着流动的发展，径向温度变化亦不断变小。

图9湍动能分布剖面图

图10湍流扩散率剖面图

图9和图10为湍动能与湍流耗散率分布图。

可以看出在环形罩壳内气流较为稳定，湍动现象很小；当进入抽引段之后两股气流掺混处出现了剧烈的湍动现象，湍流耗散率比较高。这与速度分布的结果分析保持一致，充分说明本文所选取的湍流模型是合理的。

4.结语

通过数值模拟的结果分析表明，本文所采用的控制方程、湍流模型、数值解法等均较为准确，能够充分反映排气引射装置的流场发展情况。

可结合试验测试等方法，更为充分地掌握排气引射装置的工作性能，以确定排气引射装置的具体结构尺寸。