陳 佳，胡文兵，肖雙強(qiáng)，伍 鑫，岳定陽

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有寬廣的工作范圍、高單位推力及低油耗等特點(diǎn)，受到國內(nèi)外科研人員及研究機(jī)構(gòu)的重視。變循環(huán)本身要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有多個(gè)熱力循環(huán)方案，通過發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比、增壓比、渦輪前溫度以及流量等循環(huán)參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的熱力循環(huán)狀態(tài)[1-2]。雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過變幾何機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)可以達(dá)到上述多個(gè)熱力循環(huán)要求，被認(rèn)為是未來最有希望的高性能動(dòng)力方案。前可變面積涵道引射器(FVABI)是實(shí)現(xiàn)雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)模式改變的一個(gè)重要部件，可改變核心流道及外涵道的氣流流量分配。通過調(diào)節(jié)FVABI面積開關(guān)度來改變發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比[3-5]，與其他可調(diào)部件相配合，可使發(fā)動(dòng)機(jī)具有大涵道比下低油耗和小涵道比下高單位推力的雙重優(yōu)勢。

早在上世紀(jì)60年代國外就開始了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，并取得一定成果[6]。其中最具有代表性的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為GE公司提出的具有雙外涵變循環(huán)概念的F120發(fā)動(dòng)機(jī)，也是第一臺(tái)經(jīng)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[7-9]。1971年美國驗(yàn)證了雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，較于G4/J5渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其超聲速巡航耗油率下降10%，亞聲速耗油率改善達(dá)到24%[10]。國內(nèi)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究起步較晚，劉增文等[11]在常規(guī)雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬程序基礎(chǔ)上，添加了模式選擇閥(MSV)、FVABI等部件模塊，進(jìn)行了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值計(jì)算。其研究表明，與設(shè)計(jì)參數(shù)相同的常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換方案可行，可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)在部分推力時(shí)的空氣流量，其耗油率明顯降低。劉洪波等[12]以一渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了模式轉(zhuǎn)換及結(jié)構(gòu)方案，對FVABI進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析，從結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)度方面確定了變循環(huán)方案的可行性。張榮等[13]基于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，制定了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式，并對亞聲速巡航與超聲速巡航兩種典型工況之間轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明所提出的調(diào)節(jié)方式能實(shí)現(xiàn)渦噴與渦扇工作模式的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。王靖宇等[14]通過比較基準(zhǔn)圓筒型調(diào)節(jié)與帶波瓣型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的混合器性能，發(fā)現(xiàn)波瓣結(jié)構(gòu)混合器總壓損失小、外涵流通能力增強(qiáng)，但其密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜；同時(shí)還給出了特征渦對混合效率的影響規(guī)律。根據(jù)國內(nèi)外公開報(bào)道，針對變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要集中在整機(jī)初步性能模擬計(jì)算、總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)以及波瓣混合器研發(fā)，對于MSV及直推式FVABI等可調(diào)部件的氣動(dòng)與試驗(yàn)研究則較少，尤其缺乏對直推式FVABI引射特性及摻混過程機(jī)理性研究。因此，開展直推式FVABI氣動(dòng)機(jī)理研究是一項(xiàng)很有意義和前瞻性的工作，有望為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)部件的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和知識(shí)儲(chǔ)備。

本文采用三維數(shù)值模擬方法，在不同進(jìn)口壓比條件下，研究了面積比對FVABI流動(dòng)損失、引射性能及摻混流場結(jié)構(gòu)的影響，可為后續(xù)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)部件設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論參考。

2 數(shù)值研究

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

圖1 FVABI試驗(yàn)幾何模型Fig.1 Experimental geometry model of FVABI

圖1為FVABI試驗(yàn)幾何模型示意圖。模型總長度L約2 m，由導(dǎo)流環(huán)、內(nèi)涵進(jìn)氣機(jī)匣、內(nèi)涵進(jìn)氣錐段、外涵支撐機(jī)匣、混合段機(jī)匣、后支撐機(jī)匣、排氣錐、排氣機(jī)匣及作動(dòng)筒相關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。圖中：S、S0分別為FVABI可變面積調(diào)節(jié)閥的開度和最大開度分別為垂直氣流方向的可變和最大有效流通面積。0表示主流進(jìn)口處壁面靜壓測點(diǎn)，1～11表示混合段外涵機(jī)匣外壁面靜壓測點(diǎn)；First flow與Second flow分別表示內(nèi)、外涵通道，對應(yīng)FVABI計(jì)算模型的主、次流；Out表示FVABI主、次流混合流道出口。通過調(diào)節(jié)開度改變AS大小控制外涵流量可實(shí)現(xiàn)涵道比的調(diào)節(jié)，下文采用面積比表示FVABI面積開度調(diào)節(jié)。

針對軸對稱FVABI，取1/4幾何模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬。網(wǎng)格劃分采用ICEM分塊方法，全部為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。近壁面附近對網(wǎng)格加密處理，使y+值滿足湍流模型的要求。由于混合段剪切層內(nèi)速度梯度較大，對混合段網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定FVABI模型計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量約為320萬，計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格分布見圖2。圖中，pts、Tts分別表示次流進(jìn)口總壓、總溫；ptp、Ttp分別表示主流進(jìn)口總壓、總溫；pb表示主、次流混合段出口背壓。

圖2 CFD數(shù)值模擬網(wǎng)格Fig.2 CFD simulation grid

2.2 邊界條件設(shè)置

次流與主流進(jìn)口分別對應(yīng)風(fēng)扇、核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇(CDFS)出口，計(jì)算域進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件，給定進(jìn)口總溫、總壓；計(jì)算域出口采用壓力出口邊界條件，給定出口平均靜壓。所有壁面為無滑移、絕熱固壁邊界條件，周向設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件。計(jì)算工況為：給定背壓pb/pts為0.93；進(jìn)口壓比ptp/pts為1.5、1.3和1.2；面積比為0.20、0.40、0.56、0.80及1.00。pts給定為當(dāng)?shù)卮髿鈮海?給出了具體的邊界條件設(shè)置。

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary condition setting

2.3 湍流模型及驗(yàn)證

圖3 外涵壁面靜壓分布數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值的對比Fig.3 Comparison of static pressure distribution between experiment and simulation

3 結(jié)果分析

3.1 FVABI流動(dòng)損失分析

FVABI產(chǎn)生的氣流總壓損失將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的最終性能。為此，在保證流量的條件下對其總壓損失及變化規(guī)律進(jìn)行研究。本文總壓恢復(fù)系數(shù)采用截面質(zhì)量平均總壓參數(shù)計(jì)算，其具體定義為：

式中：σ為FVABI總壓恢復(fù)系數(shù)，分別表示混合段主、次混合流量和混合總壓，表示進(jìn)口折合流量，p*in表示主、次流進(jìn)口總壓。圖4給出了不同進(jìn)口壓比下FVABI出口總壓恢復(fù)系數(shù)隨面積比的變化規(guī)律。從圖中可知，當(dāng)面積比不變時(shí)，出口總壓恢復(fù)系數(shù)隨進(jìn)口壓比的增大而減小。這是由于FVABI總壓損失主要由摻混損失和摩擦損失組成，當(dāng)進(jìn)口壓比增大，進(jìn)口速度與混合速度差值增大，使得摻混損失和摩擦損失增加所致。此外，進(jìn)口壓比1.3與1.5之間的總壓恢復(fù)系數(shù)變化量Δσ約為進(jìn)口壓比1.2與1.3之間的2倍，表明出口總壓恢復(fù)系數(shù)與進(jìn)口壓比成線性變化關(guān)系。當(dāng)進(jìn)口壓比不變時(shí)，出口總壓恢復(fù)系數(shù)隨面積比增大而逐漸減小，這主要是因?yàn)槊娣e調(diào)節(jié)閥門打開，主流的高能流體增加，摻混損失增大所致。實(shí)際變循環(huán)過程中，同一背壓條件下，改變面積比代表了發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的變化。不同進(jìn)口壓比下，F(xiàn)VABI調(diào)節(jié)閥門全開時(shí)存在最小總壓恢復(fù)系數(shù)。

圖4 FVABI出口總壓恢復(fù)系數(shù)隨面積比的變化Fig.4 Total pressure recovery coefficient of FVABI with different area ratio

圖5 不同面積比沿順氣流方向各截面總壓恢復(fù)系數(shù)的變化(pb/pts=0.93)Fig.5 Total pressure recovery coefficient along flowing cross plane under different area ratio

圖5給出了背壓0.93時(shí)，不同進(jìn)口壓比條件下FVABI順氣流方向不同截面處的總壓恢復(fù)系數(shù)隨面積比的變化。可見，順氣流方向各截面處總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸減小，但減小的速率逐漸變緩。由于在摻混初始階段主、次流速度差最大，主、次流動(dòng)量交換過程中能量耗散較快，導(dǎo)致在初始摻混過程中總壓恢復(fù)系數(shù)下降較快；但在黏性力作用下，主、次流速度差逐漸減小，摻混逐漸均勻，氣流總能量耗散相對減緩，使得順氣流方向各截面總壓損失增加的速率有所降低，總壓損失系數(shù)下降平緩。此外，由圖還可看出，進(jìn)口壓比越低總壓恢復(fù)系數(shù)越大，且順氣流方向變化平緩。摻混截面x/L=0.28～0.46之間為主要摻混區(qū)域，總壓損失急劇增加，且進(jìn)口壓比越大順氣流方向總壓恢復(fù)系數(shù)曲線斜率越大。當(dāng)截面位置x L大于0.46后，沿順氣流方向的總壓恢復(fù)系數(shù)與面積比成反比。這是由于面積比越小主流進(jìn)入外涵的空氣流量越少，摻混損失降低，截面總壓恢復(fù)系數(shù)增大。當(dāng)進(jìn)口壓比為1.2時(shí)，面積比0.80與1.00相比，沿程總壓恢復(fù)系數(shù)變化曲線基本重合；當(dāng)進(jìn)口壓比不同時(shí)，面積比0.40與0.56相比，同樣存在這種現(xiàn)象。這表明在一定面積比范圍內(nèi)，總壓恢復(fù)系數(shù)對面積比變化敏感度較低。

3.2 FVABI引射性能分析

圖6、圖7分別示出了不同進(jìn)口壓比時(shí)主、次流流量隨面積比的變化。可看出，主流流量隨面積比增大而增加；進(jìn)口壓比越大主流流量曲線斜率越大；面積比增加，不同進(jìn)口壓比之間的流量差值增大。次流流量隨面積比增大而減少，且面積比減小時(shí)次流流量曲線斜率逐漸減小。進(jìn)口壓比為1.5時(shí)，面積比從0.40減小到0.20過程中，次流流量基本保持不變，但主流流量持續(xù)減少。這表明隨著面積比減小，次流達(dá)到扼流狀態(tài)，而進(jìn)口壓比越大達(dá)到扼流狀態(tài)時(shí)相應(yīng)的面積比越大。

圖6 主流流量隨面積比的變化Fig.6 Main flow mass with different area ratio

圖7 次流流量隨面積比的變化Fig.7 Secondary flow mass with different area ratio

引射系數(shù)B是評(píng)估FVABI引射能力的主要參數(shù)，決定了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的變化特性。圖8示出了不同進(jìn)口壓比下FVABI引射系數(shù)隨面積比的變化。如圖所示，隨面積比增大，不同進(jìn)口壓比下引射系數(shù)均減小。這是由于面積比增大，主流流量增加，次流流量減小，面積比越小，進(jìn)口壓比對引射能力的影響越大。在相同面積比下，進(jìn)口壓比越小，引射系數(shù)越大，主流對次流的引射作用越強(qiáng)。

圖8 FVABI引射系數(shù)隨面積比的變化Fig.8 Ejector coefficient of FVABI with different area ratio

3.3 FVABI計(jì)算流場分析

圖9給出了進(jìn)口壓比1.3時(shí)，不同面積比下順氣流方向流道外壁面的靜壓分布。在摻混段進(jìn)口處，主流將壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，主流靜壓低于次流總壓，次流入口段氣流受到抽吸作用速度增加，壁面靜壓急劇減?。浑S著面積比減小，主流高能流體流量減少，動(dòng)量交換帶動(dòng)次流加速性減弱，對應(yīng)摻混中心位置處靜壓升高，如圖中=0.30處靜壓隨面積比變化所示。進(jìn)入摻混段后，主、次流之間在黏性力作用下進(jìn)行能量、動(dòng)量及質(zhì)量摻混，氣流摻混后速度趨于均勻，壓力能逐漸恢復(fù)，使得混合區(qū)域靜壓逐步提升。面積比越小恢復(fù)到穩(wěn)定靜壓的距離越短，面積比為0.20時(shí)在=0.48處靜壓已恢復(fù)。此外，由于出口處存在支撐板，使得流通面積減小，氣流速度增大，靜壓略有降低。

圖9 不同面積比下順氣流方向流道外壁面的靜壓分布(ptp/pts=1.3)Fig.9 Static pressure distribution along flowing cross plane under different area ratio

圖10 不同面積比下順流向各截面的馬赫數(shù)云圖(pb/pts=0.93，ptp/pts=1.3)Fig.10 Mach number distribution along flowing cross plane under different area ratio

圖10示出了背壓0.93、進(jìn)口壓比1.3時(shí)，不同面積比下順氣流方向各截面的馬赫數(shù)分布。從圖中可看出，面積比越大收縮型主流道速度越大，可調(diào)閥門全開時(shí)主流道最大馬赫數(shù)為0.86；隨著閥門關(guān)閉面積比減小，主流流量減少、速度降低。在主、次流摻混位置之前，隨面積比減小，次流速度增加；在主、次流摻混位置后，隨面積比減小，次流速度減小。主、次流在摻混段存在明顯的速度摻混界面，面積比減小過程中，速度摻混界面越小、越靠近流道內(nèi)壁，摻混影響區(qū)域也逐漸減小，馬赫數(shù)在摻混作用下恢復(fù)均勻速度較快，速度摻混界面逐漸消失。因此，調(diào)節(jié)過程中，面積比減小，出口總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸增加，與圖4中所示結(jié)果一致。

圖11 不同面積比下?lián)交於嗡俣妊貜较蚍植记€(ptp/pts=1.3)Fig.11 Radial distribution of velocity under different area ratio at mixing section

圖11示出了進(jìn)口壓比1.3，面積比0.20、0.56及1.00時(shí)，順氣流方向x/L=0.27截面處的速度徑向分布。圖中：h為摻混流道沿徑向總高度，r為任意摻混流道高度位置，虛線之間為摻混層厚度。不同面積比下，在摻混段靠近主流出口處，由于壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，速度急劇增加；流體黏性作用使快層流體團(tuán)進(jìn)入慢層傳遞動(dòng)量使得慢層加速，反之慢層流體團(tuán)阻滯使得快層減速。隨著主、次流在摻混段混合，主流將能量沿徑向傳遞給次流，使摻混層上部次流逐漸趨于均勻流動(dòng)，面積比分別為1.00、0.56、0.20時(shí)，摻混層厚度相應(yīng)為0.16h、0.10h、0.08h，逐漸減??；同時(shí)，摻混下邊界靠近內(nèi)流道壁面，與壁面距離由0.30h減小到0.07h，符合圖10馬赫數(shù)云圖中主、次流沿順氣流方向摻混的變化趨勢。據(jù)此可得出，面積比對摻混層位置及摻混區(qū)域大小存在很大影響。

4 結(jié)論

(1) 隨FVABI面積比增大，主、次流之間的摻混損失、摩擦損失增加，F(xiàn)VABI總壓恢復(fù)系數(shù)減小。

(2) 隨FVABI面積比減小，次流將達(dá)到扼流狀態(tài)，進(jìn)口壓比越大，達(dá)到扼流狀態(tài)時(shí)相應(yīng)的面積比越大。

(3) 背壓為0.93時(shí)，不同進(jìn)口壓比下，當(dāng)截面位置x/L大于0.46后，沿順氣流方向的總壓恢復(fù)系數(shù)與面積比成反比，且在一定面積比范圍內(nèi)，總壓恢復(fù)系數(shù)對面積比變化敏感度較低。

(4) 在順氣流方向x/L=0.27摻混段處，面積比由大到小調(diào)節(jié)過程中，摻混層厚度范圍逐漸減小，同時(shí)，摻混層位置逐漸靠近內(nèi)壁面，摻混區(qū)域減小。