李超東，寧方飛，賈新亮

(北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院航空發(fā)動機(jī)氣動熱力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

1 引言

進(jìn)氣道和發(fā)動機(jī)是飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的兩大主要部件。進(jìn)氣道不但要給發(fā)動機(jī)提供相匹配的空氣流量，還要保證氣流的品質(zhì)，從而確保整個飛行包線內(nèi)發(fā)動機(jī)有足夠的可用穩(wěn)定裕度[1]。為此，在飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)研制的各個階段，都需要進(jìn)行進(jìn)發(fā)匹配(進(jìn)氣道-發(fā)動機(jī)相容性)的穩(wěn)定性評估。

影響進(jìn)發(fā)穩(wěn)定性的降穩(wěn)因子很多，其中進(jìn)氣總壓畸變、總溫畸變、旋流畸變對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性的影響起主導(dǎo)作用。特定情況下，進(jìn)氣道前生成的地面渦往往會帶來上述畸變，甚至?xí)茐陌l(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性，因此地面渦成為不可忽略的降穩(wěn)來源[2-3]。

自噴氣推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用以來，地面渦問題就一直伴隨著飛機(jī)。當(dāng)飛機(jī)在地面靜止或滑行時(shí)，一定條件下，進(jìn)氣道前形成的地面渦會改變流場結(jié)構(gòu)，帶來總壓畸變，甚至?xí)挟愇锉坏孛鏈u卷入進(jìn)氣道而造成發(fā)動機(jī)外物損傷。因此，研究地面渦對于增強(qiáng)飛機(jī)安全性、提高推進(jìn)性能具有重要意義[4]。

本文基于數(shù)值模擬，建立大涵道比發(fā)動機(jī)吊艙模型，應(yīng)用自編網(wǎng)格生成程序劃分計(jì)算網(wǎng)格，開展幾種條件下地面渦的模擬，總結(jié)針對地面渦的模擬方法及地面渦的生成和發(fā)展規(guī)律。

2 計(jì)算模型

進(jìn)氣道模型以CFM56大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)為原型，采用一種簡單的吊艙設(shè)計(jì)方法，所需關(guān)鍵參數(shù)見表1，生成的吊艙模型見圖1。

表1 吊艙設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Nacelle parameters

圖1 吊艙模型Fig.1 Nacelle model

3 網(wǎng)格生成

為便于針對不同幾何模型的網(wǎng)格生成，方便將來的吊艙設(shè)計(jì)，采用自編的自動化程度較高的網(wǎng)格程序，對發(fā)動機(jī)吊艙進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。

為保證氣動模擬質(zhì)量，采用了結(jié)構(gòu)化分區(qū)多塊網(wǎng)格。每個分區(qū)網(wǎng)格，又采用了代數(shù)網(wǎng)格生成方法。發(fā)動機(jī)吊艙網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為：吊艙壁面附近用C網(wǎng)格，吊艙內(nèi)部的進(jìn)氣道和尾噴管以及外流區(qū)域用O網(wǎng)格，其余流場為H網(wǎng)格。輸入文件有輪廓線文件，控制文件包括計(jì)算域大小、各網(wǎng)格塊的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)及加密程度。需注意的是，地面渦模擬中，吊艙壁面和地面都需要足夠的網(wǎng)格密度才能保證模擬的準(zhǔn)確性[5]。利用自編網(wǎng)格生成程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Mesh for computation

分別采用450萬、800萬、1 000萬三套網(wǎng)格，驗(yàn)證網(wǎng)格對計(jì)算的影響。結(jié)果表明，450萬網(wǎng)格不能分辨迎風(fēng)小風(fēng)速下形成的地面渦；綜合比較圖3中靜止無風(fēng)情況下800萬、1 000萬兩套網(wǎng)格計(jì)算所得近地截面上的靜壓分布和三維流線圖，發(fā)現(xiàn)800萬網(wǎng)格已能分辨地面渦結(jié)構(gòu)。結(jié)合計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，文中選擇800萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

4 模擬結(jié)果

4.1 地面渦成因及無風(fēng)下的結(jié)構(gòu)

被發(fā)動機(jī)吸入的進(jìn)氣道遠(yuǎn)前方來流面積稱為捕獲面積，流過的區(qū)域稱為進(jìn)氣流管。根據(jù)流量守恒定律，對于不同的發(fā)動機(jī)工作條件(由下標(biāo)0代表)，捕獲面積為：

圖3 800萬和1 000萬網(wǎng)格時(shí)的靜壓分布及三維流線圖Fig.3 Calculation results for different grid

在特定大氣條件和飛機(jī)地面滑行速度下，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量增加，則進(jìn)氣道捕獲面積增加。當(dāng)發(fā)動機(jī)流量一定時(shí)，飛機(jī)滑行速度越小，則進(jìn)氣道捕獲面積越大。而捕獲面積增大到一定程度時(shí)，進(jìn)氣流管與地面相交，這是形成地面渦的必要條件之一[6-7]。研究表明，地面邊界層對地面渦的形成起著重要作用。迎風(fēng)情況下，進(jìn)氣流管內(nèi)的空氣加速向后流動，吊艙正下方一部分空氣在壓力梯度作用下會倒流，同時(shí)左右兩側(cè)空氣會在壓力梯度作用下向進(jìn)氣道中心方向流動，因此周圍的空氣匯聚于此，形成點(diǎn)匯，然后被吸入進(jìn)氣道。由于地面邊界層渦量的存在，在一定條件下，點(diǎn)匯周圍的空氣會形成地面渦。

圖3(a)給出了無風(fēng)環(huán)境中發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量為最大設(shè)計(jì)流量時(shí)，在吊艙前生成的地面渦的靜壓分布和三維流線圖。從圖中三維流線圖可清晰看到，此時(shí)生成了一對地面渦，且兩個渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，左邊為逆時(shí)針，右邊為順時(shí)針；從圖中地面渦區(qū)域的靜壓分布可發(fā)現(xiàn)，靜壓降低并不明顯，畸變較小，表明此時(shí)渦強(qiáng)度較弱。

4.2 迎風(fēng)下的地面渦結(jié)構(gòu)及影響

實(shí)際環(huán)境下，通常存在大氣風(fēng)速，按適航規(guī)定，機(jī)場允許放飛的風(fēng)速均不太高，所以這里主要討論小風(fēng)速下形成的地面渦。

當(dāng)迎風(fēng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，也生成了一對地面渦，渦結(jié)構(gòu)與無風(fēng)情況下的相同，如圖4所示。取離地1 cm的截面作靜壓分布云圖，此時(shí)可在地面渦區(qū)域看見明顯的低壓區(qū)，表明地面渦的強(qiáng)度有所增加，畸變也在變大。

圖4 迎風(fēng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)的靜壓分布及三維流線Fig.4 Static pressure distribution and 3D streamlines when U∞=5 m/s

圖5 為進(jìn)氣道出口的總壓分布，最外面一圈低壓區(qū)是因?yàn)樵诜窃O(shè)計(jì)狀態(tài)下氣流繞過進(jìn)氣道前緣在擴(kuò)張段內(nèi)分離導(dǎo)致，這可能是進(jìn)氣唇口設(shè)計(jì)不合理所致。雖然如此，也未能掩飾地面渦帶來的總壓畸變。渦中心總壓虧損約3%，周向影響范圍約20°。

圖5 迎風(fēng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)進(jìn)氣道出口總壓分布Fig.5 Total pressure distribution of the outlet when U∞=5 m/s

圖6 顯示，進(jìn)氣道出口氣流明顯偏離軸向的區(qū)域主要集中在壁面附近，這是因進(jìn)氣道氣流分離所致；地面渦帶來的氣流周向偏轉(zhuǎn)角很小，是因?yàn)榈孛鏈u本身較弱，且在輸運(yùn)途中由于粘性耗散而進(jìn)一步減弱的緣故。但當(dāng)來流風(fēng)速增加時(shí)，地面渦加強(qiáng)，可能會帶來明顯的氣流偏轉(zhuǎn)。

4.3 側(cè)風(fēng)下的地面渦結(jié)構(gòu)及影響

更為一般的大氣條件是來流不會恰好正對著進(jìn)氣道，而是具有一定的偏轉(zhuǎn)角度，有時(shí)達(dá)到完全側(cè)風(fēng)甚至順風(fēng)狀態(tài)。根據(jù)適航規(guī)定，該氣象條件下，容許的風(fēng)速均不會太高，這里選擇側(cè)風(fēng)風(fēng)速10 m/s下的地面渦生成情況作討論。

圖6 迎風(fēng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)進(jìn)氣道出口周向氣流角分布Fig.6 Circumferential flow angle distribution of the outlet when U∞=5 m/s

從圖7中可看出，當(dāng)風(fēng)速為10 m/s、以-90°吹向吊艙時(shí)，形成了強(qiáng)烈的地面渦，渦中心最低靜壓值低于外界5%左右(約5 000 Pa，相當(dāng)于可吸入1 cm3、質(zhì)量約50 g的物體)。該壓差下，附近的一些異物有可能卷入地面渦，然后隨氣流吸入發(fā)動機(jī)，造成外物損傷。相比迎風(fēng)來流，在較低側(cè)風(fēng)風(fēng)速下就會形成更為強(qiáng)烈的地面渦。因此，側(cè)風(fēng)情況下吸入異物的潛在威脅和畸變影響將會更大。

圖7 速度10 m/s、-90°側(cè)風(fēng)下的靜壓分布及三維流線Fig.7 3D streamlines and static pressure distribution in crosswind when U∞=10 m/s

從圖8中總壓分布可看出，在側(cè)風(fēng)影響下，進(jìn)氣道內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的流動分離，使得進(jìn)氣道出口存在大面積的低壓區(qū)，畸變范圍很廣，并且在地面渦的影響區(qū)域，造成了8%的總壓虧損。

從圖9中周向氣流角的分布可清楚發(fā)現(xiàn)，在地面渦影響區(qū)域，進(jìn)氣道出口氣流的最大周向偏轉(zhuǎn)達(dá)到-16°～16°，風(fēng)扇葉片每旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過該區(qū)域時(shí)，攻角將會改變，偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，使得出口流場、做功能力、流動損失等發(fā)生變化，甚至造成局部分離或失速。此外，風(fēng)扇周期性地通過這類非均勻流場，會受到周期性激勵而加速疲勞，不利于提高發(fā)動機(jī)的壽命和安全性[8]。

圖8 速度10 m/s、-90°側(cè)風(fēng)進(jìn)氣道出口總壓分布Fig.8 Total pressure distribution of the outlet in crosswind when U∞=10 m/s

圖9 速度10 m/s、-90°側(cè)風(fēng)下周向氣流角分布Fig.9 Circumferential flow angle distribution in crosswind when U∞=10 m/s

以上分析表明，地面渦的影響除對地面異物的卷吸外，還會造成風(fēng)扇進(jìn)口來流的總壓損失和旋流畸變，從而對風(fēng)扇的氣動性能和穩(wěn)定性造成影響。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法，對無風(fēng)、迎風(fēng)、側(cè)風(fēng)情況下生成的地面渦的流場結(jié)構(gòu)及其影響進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明，地面渦結(jié)構(gòu)形式不一，根據(jù)風(fēng)速的不同有對渦和單渦之分。不同風(fēng)速下地面渦的強(qiáng)度不一，帶來的影響也不同。在5 m/s的迎風(fēng)情況下，在進(jìn)氣道出口截面渦中心帶來約3%的總壓虧損；在-90°、10 m/s的側(cè)風(fēng)情況下，近地面造成渦中心區(qū)域約5%的靜壓差，在進(jìn)氣道出口截面渦中心造成約8%的總壓虧損，氣流的最大周向偏轉(zhuǎn)達(dá)-16°～16°。這些畸變都會直接改變當(dāng)?shù)仫L(fēng)扇工作點(diǎn)，對風(fēng)扇產(chǎn)生周期性激勵。以上研究結(jié)果可為地面渦防范提供參考。

另外，地面渦對異物的卷吸除靜壓差的影響外，還涉及到運(yùn)動氣流的沖擊，需做進(jìn)一步研究；本文暫未考慮飛機(jī)滑行(吊艙也向前運(yùn)動)，對于此情況下的地面渦生成和結(jié)構(gòu)也需做更多研究。

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