轴流压气机叶片热清洗模拟方法建立及试验验证

Establishment and experimental verification of a simulation method for thermal cleaning of axial compressor blades

摘要

针对海洋大气环境下航空发动机压气机的盐雾沉积问题，采用数值模拟方法系统研究了盐雾粒子运动沉积规律及热清洗效果。通过离散相模型（discrete phase model，DPM）分析了不同粒径盐雾的沉积特性，并利用VOF-to-DPM耦合模型与欧拉壁膜模型模拟了清洗液雾化、撞击及成膜过程。研究发现，盐雾沉积主要集中于叶盆、叶根区域，总覆盖率最高达31.38%；热清洗后叶片表面总清洗覆盖率为32.32%，其中大叶片叶盆区域覆盖率最高，达63.18%，而叶背及叶根区域清洗效果较差。试验验证表明，仿真中清洗液滴覆盖位置在试验中均被清洗，证明了所建立的热清洗方法的有效性，研究结果为优化在线清洗方案提供了理论依据。

Abstract

To address salt spray deposition in aero engine compressors in marine atmospheric environments， the motion and deposition characteristics of salt spray particles， as well as the effectiveness of thermal cleaning， were systematically investigated using numerical simulation. The deposition characteristics of salt spray with different particle sizes were analyzed using the DPM（discrete phase model）， while the atomization， impingement， and film formation processes of the cleaning liquid were simulated using a coupled VOF-to-DPM model and the Eulerian wall film model. The results show that salt spray deposition is mainly concentrated in the blade pressure surface and root regions， with a maximum total coverage of 31.38%. After thermal cleaning， the total cleaning coverage on the blade surface reaches 32.32%， with the highest coverage observed in the pressure surface of large blades （63.18%）， whereas the suction surface and blade root regions exhibit poorer cleaning performance. Experimental verification demonstrates that the positions where cleaning droplets are predicted to cover in the simulation are all cleaned in the experiments， confirming the effectiveness of the thermal cleaning method established. These findings provide a theoretical basis for optimizing online cleaning strategies.

Graphical abstract

关键词

轴流压气机叶片 / 盐雾沉积 / 热清洗 / 仿真模拟 / 热清洗实验

Key words

axial compressor blades / salt spray deposition / thermal cleaning / numerical simulation / thermal cleaning experiment

航空发动机压气机在海洋大气环境下运行时，吸入的盐雾粒子易在叶片表面沉积并引发腐蚀^［1-2］，严重影响发动机的安全性与寿命^［3-4］。热清洗技术作为一种有效的在线维护手段，其清洗效率与液滴在复杂高速流场中的运动、撞击及覆盖特性密切相关^［5-6］。然而，现有研究多集中于气动性能分析^［7-8］，对多相流背景下盐雾沉积规律及清洗液滴的精准输运与壁面交互机制认识尚不深入，导致清洗策略设计缺乏精细依据。因此，本文通过高保真度的数值模拟方法，揭示盐雾粒子在压气机内部的运动沉积特性，并系统评估热清洗过程中液滴的轨迹、撞击分布与壁面成膜规律，为优化清洗系统设计、提升腐蚀防护效果提供关键的理论基础与技术支撑。

在沉积机理与影响评估方面，数值模拟是主要研究手段。金洪江等^［9］采用拉格朗日离散相模型，通过仿真揭示了盐雾颗粒在压气机流场中的运动轨迹与沉积规律，确认其沉积主要集中于叶片压力面，且沉积覆盖率与盐雾粒径和压气机转速呈正相关。魏昌淼等^［10］和张海华等^［11］的研究表明，盐雾沉积是压气机性能衰退的主要原因之一，造成压气机流量、效率及输出功率下降。汪凯蔚等^［12］为在实验室快速复现并评估长期腐蚀影响，基于实测环境数据，设计了综合盐雾、湿热与高温试验的循环加速试验谱，以模拟湿热海洋大气环境的综合腐蚀效应。这些研究明确了盐雾沉积的分布特征与性能影响，为后续清洗对象的确定与效果评估奠定了基础。

在清洗技术与清洗剂研发方面，研究呈现多样化。范晓宇等^［13］提出物理清洗方法，发现高压水射流技术有效，但数值模拟表明存在最佳压力窗口，压力过高会导致射流反弹、单次清洗面积减小，反而降低效率。王坚等^［14］研制出能同时除油、除锈且不损伤叶片渗铝层的酸性二合一清洗剂。针对压气机前后级叶片附着物成分的差异（前级导流叶片富含油脂与无机盐，后级静子叶片富含烃类聚合物），蒋永健等^［15］开发了具有广谱清洗能力的微乳型水基清洗剂。李岩等^［16］开发的新型航空清洗剂，被证实能在铝合金表面形成具有缓蚀功能的保护膜，从而提升基材的抗盐雾腐蚀性能。在清洗工艺方面，何可等^［17］提出热清洗技术（发动机在慢车状态运行中清洗），其相较于冷清洗能更高效地去除盐类和油脂沉积物。郭玉婷等^［18］通过数值模拟对清洗设备结构进行优化，确定了空穴射流清洗器的最佳叶片组数等参数，以增强空化清垢效应。尽管清洗技术与清洗剂研发已取得多项进展，但针对热清洗过程中液滴在高速流场内的运动、撞击及壁面成膜等微观动态行为，仍需通过精细的数值模拟予以阐明。

本文通过数值模拟研究压气机叶片的盐雾沉积与热清洗过程。首先采用DPM分析不同粒径盐雾的运动与沉积规律；然后，利用VOF-to-DPM耦合模型与欧拉壁膜模型，模拟清洗液从雾化、撞击到形成液膜的全过程，评估清洗覆盖效果。通过对比仿真与试验结果，揭示了叶盆、叶背区域清洗差异的成因，为优化在线清洗方案提供了依据。

1 模型介绍

1.1 轴流压气机仿真模型

本文以某型压气机叶片为研究对象，首先对叶片的几何模型进行简化，基于轴流叶片原型分别获取大、小叶片的叶型轮廓，并在提取过程中确保叶型与叶片表面高度吻合，简化后的压气机轴流叶片如图1所示。图2为压气机轴流转子网格及叶尖间隙的网格分布特征示意图。在实际运行中，为避免转子旋转时叶片与机匣发生干涉或损坏，动叶叶尖与机匣内壁之间设有径向间隙。在网格划分阶段，该叶尖间隙设定为0.5 mm。最终生成的网格单元总数为170 031个。计算过程中设定压气机进口静压为101 kPa，进口总温为15 ℃，总压比约为6.3，转速为30 000 r/min。

1.2 盐雾颗粒运动模型

根据对大气环境的统计，盐雾体积分数较低，且90%以上的盐雾颗粒粒径小于5 μm。当盐雾被吸入压气机后，盐雾颗粒在气流中受到曳力、Saffman升力、Magnus升力、热泳力、Brown力及虚拟质量力等多种力的作用。由于盐雾主要以盐水雾滴形式存在，其运动惯性大于空气，部分颗粒会在运动过程中撞击壁面，形成液膜、发生破碎或相变蒸发。由于轴流压气机段的粒子分离器进口与大气直接相通，为降低盐雾在压气机内运动仿真的复杂度，对实际物理过程作如下简化：

1）被吸入的盐雾在大气中均匀分布；

2）盐雾颗粒为单一粒径；

3）颗粒视为球形NaCl溶液滴，运动过程中不变形；

4）空气黏性阻力是影响颗粒运动的主要作用力；

5）忽略颗粒在流道内的相互融合；

6）假设叶片表面为绝热壁面，撞击形成的液膜不蒸发；

7）壁面表面速度设为0。

结合大气中盐雾分布的实测数据，设定进气中盐雾含量为10 mg/m³，对应质量流量约为0.05 g/s。为研究不同粒径盐雾在压气机内的分布特性，仿真中分别选取1、3、5 μm 3种粒径进行分析。由于盐雾在空气中的体积分数很低，仿真中可采用离散相模型进行模拟，并忽略盐雾颗粒的相变与蒸发过程。计算时，盐雾颗粒以压气机进口截面为入射边界。

2 热清洗仿真方法

2.1 盐雾沉积物的溶解机理

热清洗过程中，沉积于叶片表面的盐雾颗粒（主要成分为NaCl）与壁面液膜接触后发生溶解。NaCl在水中的饱和溶解度随温度升高而增大，近似满足

C_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}(T)=C_{\mathrm{0}}[\mathrm{1}+\beta (T-T_{\mathrm{0}})]（1）

式中：C_salt为T时的饱和溶解度，单位为kg/m³；T₀=20 ℃；C₀为T₀时的溶解度，其值为317 kg/m³；β为经验系数，其值为0.02 K^-1。盐分溶解速率由液膜与盐垢界面的传质过程控制。

\frac{\mathrm{d}{m}_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}}{\mathrm{d}t}=k_{\mathrm{g}}{A}_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}(C_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{t}}-C_{\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}})（2）

式中：m_salt为盐雾质量；k_g 为传质系数（与液膜流动的舍伍德数相关）；A_salt为盐垢与液膜的接触面积；C_local为液膜中的当前盐浓度。当C_local<C_salt时，盐垢持续溶解，溶解的盐分随液膜流动或被蒸发带走，从而实现清洗目的。

盐垢溶解的发生依赖于液膜与壁面的有效接触，而液膜的形成与分布则取决于清洗液滴在压气机流道内的运动与沉积行为。为此，需首先建立能够准确追踪液滴运动的计算域与边界条件。

2.2 粒子追踪计算域设定原则

从流动仿真角度，计算域的选取较为直接，通常为每排叶片单独划分一个计算域。然而，在引入粒子仿真后，计算域的设定则主要取决于边界条件对粒子轨迹的处理方式。在压气机数值仿真中，主要涉及两种边界类型：周期边界与流向交界面。二者对粒子的处理机制有明显区别。图3为周期边界与流向交界面粒子处理示意图。图3a为周期边界粒子处理示意图，当粒子穿过此类边界时，它会从对应的周期性位置重新进入计算域，粒子数量没有损失，该处理方式与流场的周期性条件保持一致。流向交界面的处理则需根据其几何连接状态分为两种情况。图3b为前后计算域直接相连时的情况，粒子能够无损地穿过交界面，实现向下游的传递。当流向交界面在几何上断开（即不接触）时，其处理方式如图3c所示。粒子一旦穿过此交界面便会从计算中消失，无法传递至下游区域，因此这种断开的设计会导致仿真中的粒子数量发生损耗。

通过对粒子在周期边界与流向交界面的处理机制分析，可以发现周期边界及接触状态的流向交界面均能实现粒子在计算域间的完整传递，而非接触的流向交界面则会导致粒子在穿越时丢失。因此，为确保粒子在仿真过程中不发生非物理损失，计算域的选取须满足所有流向交界面均处于接触状态这一条件。

尽管周期边界本身支持粒子传递，但在实际建模中，要同时实现周期边界并保证所有流向交界面完全接触较为困难。因此，在涉及粒子追踪的仿真中，通常采用全周计算域来避免因交界面非接触而引起的粒子损耗，从而更可靠地模拟实际流动与输运过程。

2.3 雾化过程的耦合模型

在确定全周计算域以保证粒子无损失传递后，需进一步描述清洗液体从连续射流雾化为离散液滴的过程，以及液滴在流道内的运动、蒸发和壁面相互作用。为此，本文采用VOF‑to‑DPM耦合模型进行求解。雾化前的连续液相通过VOF模型捕捉界面演变，雾化后的离散液滴则借助DPM模型追踪其运动轨迹。

连续液相区采用VOF模型，通过求解体积分数方程追踪气液界面。

\frac{\partial \alpha }{\partial t}+\nabla (\alpha \mathit{u})=\mathrm{0}（3）

式中：α为液体体积分数； u 为混合相速度。当液体破碎为离散液滴后，采用DPM模型在拉格朗日框架下描述液滴运动。

m_{\mathrm{p}}\frac{\mathrm{d}{\mathit{u}}_{\mathrm{p}}}{\mathrm{d}t}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\rho }_{\mathrm{a}}{A}_{\mathrm{p}}{C}_{\mathrm{D}}\left|{\mathit{u}}_{\mathrm{a}}-{\mathit{u}}_{\mathrm{p}}\right|({\mathit{u}}_{\mathrm{a}}-{\mathit{u}}_{\mathrm{p}})+m_{\mathrm{p}}g（4）

式中： m_p、 u_p分别为液滴质量与速度；ρ_a、u_a为气体密度与速度；C_D为曳力系数；A_p为液滴投影面积；g为重力加速度。液滴蒸发速率由扩散控制模型给出。

\frac{\mathrm{d}{m}_{\mathrm{p}}}{\mathrm{d}t}=-\mathrm{\pi }{d}_{\mathrm{p}}{\rho }_{\mathrm{a}}{D}_{v}Sh\cdot \mathrm{l}\mathrm{n}(\mathrm{1}+B_{\mathrm{M}})（5）

式中：d_p为液滴直径；D_v 为水蒸气扩散系数；Sh为舍伍德数；B_M为传质驱动力。壁面液膜行为采用欧拉壁膜模型求解，液膜厚度ℎ满足

\frac{\partial h}{\partial t}+\nabla (h{\mathit{u}}_{\mathrm{f}})=\frac{{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{p}}}{{\rho }_{\mathrm{l}}}-{\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{p}}（6）

式中： u_f为液膜平均速度；{\dot{m}}_{\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{p}}为液滴撞击质量流率；{\dot{m}}_{\mathrm{e}\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{p}}为蒸发质量流率；ρ_l为液体密度。根据1.2节的简化假设，本文忽略了热泳力、虚拟质量力等次要作用。

计算同时考虑了水滴的蒸发（仅为相变过程，无化学反应）及液滴撞击壁面后形成的液膜行为，后者通过欧拉壁膜模型求解液膜厚度、飞溅等关键参数，并通过控制CFL数与液膜内迭代的初始时间步长来确保计算稳定性。

2.4 喷嘴参数设置

上述耦合模型的计算需要输入喷嘴的几何与喷射参数。本文根据前期喷嘴雾化试验的优化结果，设定以下关键参数。

仿真中，在轴流转子前均布3个喷嘴，其出口宽度为1 mm，出口处尖劈切除宽度约0.2 mm，雾化角约为30°，喷嘴入口压力设定为0.3 MPa，初始液滴速度约20 m/s。影响喷洗效果的关键因素包括喷嘴内腔形状、尖劈切除角度及喷射压力。试验数据表明，圆形收缩内腔较锥形或椭圆形内腔可获得更大雾化角；尖劈切除角度越小，雾化角越大；适当减小尖劈与内腔的相对距离亦可提升雾化角。此外，喷射压力对雾化角与流量影响显著，压力从0.3 MPa增至0.5 MPa时，雾化角由10°增至30°，流量由0.34 L/min增至0.42 L/min。本仿真采用的喷嘴参数可在0.3 MPa下实现约0.44 L/min的流量，满足均匀清洗需求。

3 结果分析

3.1 盐雾沉积结果分析

在巡航状态下，图4为轴流转子叶片盐雾粒子覆盖面积分布情况。整体上，盐雾粒子在大叶片叶背区域的碰撞极少。对于1 μm与3 μm的粒子，其碰撞点主要集中在大、小叶片的叶盆、叶根区域；叶背侧的碰撞则主要见于小叶片叶中区域。当粒径增大至5 μm时，分布有所变化：粒子在大叶片上更多集中于叶尖区域，而在小叶片上仍主要分布于叶盆、叶根区域；叶背侧的碰撞依旧以小叶片叶中区域为主。

随着盐雾粒子直径的增加，其在叶片表面的沉积面积总体呈上升趋势。轴流转子盐雾分布如表1所示，转子叶片表面盐雾沉积面积的最大覆盖率约为32.32%。表2为轴流转子不同区域盐雾分布及其占比，大叶片叶盆与叶背侧的沉积面积占比均随粒径增大而增加，最大值分别达到约51.14%和5.11%。小叶片两侧的沉积面积占比随粒径变化呈现先增后减的趋势，其叶盆与叶背侧的最大覆盖率分别约为41.10%和34.98%。以上数据表明，盐雾粒子在转子大、小叶片上的沉积行为具有明显差异，粒径变化对其沉积分布的影响与叶片几何位置密切相关。

3.2 热清洗结果分析

为评估清洗效果，需分析到达叶片表面的水量。由于绝对水量难以直接判断，本文采用相对进口水量的比例进行分析。在基于离散液滴模型的压气机热清洗仿真中，通过追踪液滴轨迹，统计其碰撞数量与直径来求解到达水量。为克服单个叶片捕获的液滴样本数有限的问题，采用图5所示的碰撞点汇聚方法。将同排所有叶片的碰撞点叠加至一个代表性叶片上，以最大程度减少随机误差。基于汇聚后的碰撞点分布，将叶片表面划分为均匀的网格子区域，统计各子区域内的碰撞点数量与液滴直径，以此计算局部到达水量及其所占比例。通过设定清洗水量比例阈值，即可量化叶片表面已清洗与未清洗区域的比例。最终，通过后处理提取各碰撞点的液滴质量，计算局部水流量并均匀分配至所属网格，生成表面清洗流量分布图以供分析。

热清洗过程中，轴流转子叶片表面清洗液的覆盖分布如图6所示。在进口区域，液滴能够完整覆盖叶片前缘。然而，在大叶片的叶背区域，几乎无清洗液膜形成。叶片表面的最大液膜堆积出现在叶尖部位。具体来看，大叶片上的清洗区域主要集中于叶盆前缘附近，而小叶片上的清洗液膜则分布在叶盆与叶背的前缘区域。相比之下，两个叶片的叶根区域均表现出较低的清洗覆盖率。

热清洗过程中，轴流转子叶片总面积为12 899.4 mm²，总清洗面积为4 048.23 mm²，占叶片总表面积的31.38%，表明在当前条件下叶片被覆盖的区域仍相对有限。为更具体地分析清洗位置分布，进一步统计大、小叶片叶盆与叶背的清洗状况，轴流转子不同位置清洗面积及其占比如表3所示。由表3可知，小叶片叶盆的清洗面积为311.98 mm²，占该区域面积的14.75%；叶背清洗面积为673.33 mm²，占对应叶背区域面积的30.74%。在大叶片上，叶盆清洗面积达到2 665.68 mm²，覆盖该区域面积的63.18%；而叶背清洗面积为457.58 mm²，占其区域面积的10.46%。综合上述分布可知，轴流转子的清洗区域主要集中在大叶片的叶盆表面，而小叶片表面及大叶片的叶背表面清洗覆盖面积相对较小。

3.3 清洗效果验证

为开展清洗系统试验，需对压气机轴流转子叶片表面进行预处理标记。图7为轴流转子叶片表面盐雾覆盖处理，该转子由大、小叶片交替构成，试验前在所有叶片的叶盆侧与叶背侧均匀涂覆示踪涂料。涂覆时需注意控制涂层厚度，不宜过厚，以避免热清洗过程中涂料因附着过强而难以被完全冲刷清除，进而影响对实际清洗区域的准确判断。

热清洗后，轴流转子热清洗试验结果如图8所示。所有叶片的叶盆侧颜料均被完全清洗干净，无任何残留；而在叶背侧，小叶片仅叶尖区域被彻底清洗，叶中至叶根区域则清洗不彻底，大叶片前缘、叶尖和叶根区域被完全清洗，但叶中及叶片后部区域存在未清洗或清洗不全的现象。对比发现，不同叶片间的清洗面积存在偏差，其主要原因是叶片表面颜料涂抹厚度不均，未清洗部位的涂层较厚，在相同冲刷条件下难以被完全去除。对比仿真与试验结果发现，仿真中清洗液滴覆盖位置在试验中均被清洗，证明了本文所建立的热清洗方法的有效性。

4 结论

1）根据模拟结果，盐雾沉积主要集中于大、小叶片的叶盆、叶根区域及小叶片叶背、叶中区域。1 μm和3 μm粒子集中于上述区域，当粒径为5 μm时大叶片沉积更多向叶尖转移。沉积面积随粒径增大而增加，总覆盖率最高达31.38%，其中大叶片叶盆沉积占比最高为51.14%，小叶片叶盆与叶背最大覆盖率分别为41.10%和34.98%。该结果精准识别了盐雾沉积的“高危区域”，为后续清洗目标的确定与腐蚀防护的重点布局提供了直接的空间依据。

2）热清洗后，叶片表面总清洗覆盖率为32.32%（4 048.23 mm²）。清洗液主要集中在大叶片叶盆表面（覆盖率达63.18%），并能完全覆盖叶片前缘，在叶尖堆积；而大叶片叶背、小叶片整体及叶根区域清洗效果较差。这一发现清晰揭示了现有清洗流场下的覆盖“盲区”，明确了清洗效率在空间上的不均匀性，为优化喷嘴布置、喷射参数与流场控制以提升整体清洗效果指明了方向。

3）为评估清洗效果，试验前在叶片表面均匀涂覆示踪涂料。热清洗后，叶盆侧被完全清洗，而叶背侧存在涂料残留，主因是涂层厚度不均。对比发现，仿真中清洗液滴覆盖位置在试验中均被清洗，证明了本文所建立的热清洗方法的有效性。试验验证不仅确认了数值模拟方法的可靠性，更从实践层面印证了仿真的指导价值，为将数值仿真作为清洗方案设计与优化的核心工具提供了有力支撑。

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基金资助

辽宁省国际科技合作计划项目资助项目(2025JH2/101900009)