任丁丁 王俊琦 楊柳 劉雨

摘要：通過數(shù)值模擬方法，對側風條件下短艙進氣道地面渦的形成及發(fā)展情況進行了研究。通過改變側風風速的大小，分析了側風風速大小對地面渦形成的影響及其對進氣道出口截面流場的影響。結果表明，側風條件下，短艙進氣道易形成地面渦，且伴隨有尾渦的出現(xiàn)；隨著風速大小的增加，地面渦的強度先增大后減小，地面渦的位置、結構也會發(fā)生變化；所形成的地面渦強度越大，其對進氣道出口截面流場的影響就越大，但由于地面渦在進氣道內的發(fā)展，地面渦對進氣道出口截面流場的影響相對較小。

關鍵詞：短艙；進氣道；側風；地面渦；數(shù)值模擬

中圖分類號：V231.3文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.007

自航空發(fā)動機問世以來，航空發(fā)動機的穩(wěn)定性就是人們關注的焦點。而由進氣畸變所帶來的發(fā)動機的穩(wěn)定性問題及其評估方法是國內外學者研究的重點，近些年來，旋流畸變受到了越來越多的關注。

地面渦是旋流畸變的一種形式，是飛機在滑行或靜止狀態(tài)下，進氣道入口的氣流與地面或靠近發(fā)動機唇口的機體相互作用而在發(fā)動機內流道形成的旋流渦。地面渦對發(fā)動機的影響主要體現(xiàn)在：在發(fā)動機進口形成旋流畸變，改變風扇局部區(qū)域的氣流角，可能造成發(fā)動機風扇失速、喘振等不穩(wěn)定現(xiàn)象；地面渦產生的強大吸附作用會將地面上的沙石、異物等吸入發(fā)動機，可能帶來結構上的損傷，威脅飛行安全。

國內外學者針對地面渦的形成條件、影響地面渦強度的因素，以及地面渦對發(fā)動機穩(wěn)定性的影響做了許多試驗及數(shù)值模擬研究。Klein[1]最早提出了地面渦的形成條件。Motycka和Walter[2-4]采用風洞試驗的手段研究了高度比、風向、風速對地面渦駐點的影響規(guī)律，Murphy[5]針對縮比模型采用粒子圖像測速法（particle image velocimetry，PIV）技術對地面靜止及地面移動情況下不同逆風風速條件下地面渦的強度及特征進行了研究，國內學者趙光敏[6]、馬申義[7]等也通過試驗手段對地面渦的形成機理及流動特性進行了研究。針對地面渦的數(shù)值模擬研究，Yadlin[8]通過數(shù)值模擬研究了順風及逆風條件下的地面渦的強度，李超東[9]、劉浩[10]、王成[11]對影響地面渦的因素進行了數(shù)值研究，得到了來流條件、短艙距地面高度及風扇葉片的存在對地面渦的影響規(guī)律。

本文以裝機狀態(tài)下的大涵道比渦扇發(fā)動機短艙進氣道模型為研究對象，研究了側風條件下地面渦的形成以及風速大小對地面渦的強度及其對發(fā)動機進口流場的影響規(guī)律，可對后續(xù)開展的地面渦模擬試驗提供參考，并能夠了解真實飛機側風條件下的安全隱患，從而對降低飛機的安全隱患、提高飛機在實際執(zhí)行任務過程中的安全性具有現(xiàn)實意義。

1計算模型說明

1.1模型建立

該型發(fā)動機采用翼吊式安裝形式，在建立計算模型時，由于計算過程中不考慮噴管噴出的尾噴流對進氣的影響，所以對噴管的結構進行了簡化，根據(jù)短艙出口的幾何形狀，短艙后端采用一個出口面來代替尾噴管。

進氣道出口直徑為De，進氣道長度為Li，進氣道進口前緣直徑約為Dl，在裝機條件下，唇口前緣下部距離地面高度為h，發(fā)動機短艙模型及裝機狀態(tài)各尺寸示意圖如圖1所示。

1.2網格劃分及網格無關性驗證

為了減小計算量，僅對單獨的短艙流場進行數(shù)值模擬。數(shù)值仿真時短艙離地高度和裝機環(huán)境下一致，計算域尺寸為30Dl×30Dl×15Dl。采用結構化網格，為了更好地捕獲地面渦，在短艙進氣道壁面附近、進氣道唇口下方區(qū)域以及進氣道下方地面上對網格進行了加密，地面第一層網格高度為0.05mm，進氣道壁面第一層網格高度為0.03mm，如圖2所示。

采用ICEM軟件分別生成了網格總數(shù)為300萬、500萬、700萬和900萬的網格。對不同網格計算結果相同高度截面的地面渦環(huán)量（由于地面為無滑移邊界條件，渦量為零，因此在對地面渦流場渦量進行分析時，需要創(chuàng)建一個新平面，這里選擇離地高度為1m的平面作為渦量分析平面）進行了比較，如圖3所示?？梢钥闯?，300萬和500萬網格計算的地面渦環(huán)量絕對值偏小，700萬和900萬網格計算的環(huán)量結果接近，為準確起見，后續(xù)計算均采用900萬網格進行。

1.3邊界條件設定

計算域外部邊界除地面外的其他面，因為距離短艙足夠遠，將其設置為遠場邊界條件，并給定來流速度。而為了準確模擬地面邊界層，需將地面設置為無滑移壁面。因為沒有加上發(fā)動機，所以在進氣道出口設置壓力邊界條件代表發(fā)動機對氣流的抽吸作用，選擇最大流量下的靜壓作為出口邊界條件。由于不考慮噴管對進氣的影響，所以不需要給出實際的噴管進口氣流速度，只需給一個小速度以使噴管后方不產生大的旋渦即可，此處給定與來流相同的速度。短艙壁面為無滑移壁面邊界條件。邊界條件設置如圖4所示。計算采用密度基求解器，穩(wěn)態(tài)計算，對通量采用Roe-FDS格式，控制方程離散采用二階迎風格式。湍流模型采用SST k-ω模型，計算工質為理想氣體。

2數(shù)據(jù)處理方法

（1）環(huán)量

環(huán)量是速度矢量在積分路徑方向的分量沿該路徑的線積分，即：

對地面渦環(huán)量進行無量綱化，可得到無量綱環(huán)量Γ*表達式為：

3結果分析

3.1地面渦結構分析

圖5為側風條件下風速3m/s條件下各視角的流線圖，其中圖5（a）～圖5（c）分別為短艙進氣道的俯視圖、主視圖和側視圖，灰色半透明部分為短艙進氣道，俯視圖中的云圖為近地面的靜壓云圖（下同），圖5（d）為進氣道出口截面二維流線圖（逆航向看，下同）。從圖5 （a）～圖5 （c）可以看到，該風速下在短艙前方偏右（逆航向看，下同）的位置形成了地面渦，而后向上卷吸，在進氣道中心偏下處進入進氣道，同時在短艙左側也有一股氣流吸入，這股氣流是該工況下形成的尾渦，這是由于進氣道軸向遠離唇口（外壁面）周圍的渦量遠小于進氣道唇口周圍的渦量，從而根據(jù)沿渦管環(huán)量不變的理論可知，進氣道唇口周圍會形成一個與地面渦方向相反的尾渦以使得沿軸向的渦量保持不變。從圖5（d）可以看出，在該工況下，進入進氣道的地面渦在進氣道出口截面形成了兩個方向相反的旋渦。

3.2風速大小對地面渦的影響分析

圖6為不同側風風速下地面渦的形成及發(fā)展，側風方向為從右到左（逆航向看）?？梢钥闯觯S著側風風速的增加，地面渦的位置、個數(shù)及強度均會發(fā)生變化，當側風風速為1～3m/s時（3m/s時的地面渦見圖5，下同），形成的地面渦均為一個單渦和一個尾渦。當側風風速為4m/s時形成的地面渦仍為一個單渦和一個尾渦；當側風風速增大至5m/s時流場演變?yōu)殡p渦結構地面渦和一個尾渦；當側風風速增大到6m/s時，重新演變?yōu)閱蝹€地面渦和一個尾渦；當側風風速為7m/s時，只形成了一個極小的尾渦。同時可以看到隨著風速的增加，地面渦的駐點沿順著風速的方向移動，短艙進口尾渦的位置逐漸遠離地面。

圖7為距離地面1m高度處平面的無量綱環(huán)量和靜壓差隨風速的變化。隨著側風來流風速的增加，無量綱環(huán)量基本上呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在側風風速達到2～ 3m/s時無量綱環(huán)量達到最大，而后隨著風速的增加，無量綱環(huán)量開始減小，但在側風風速為5m/s時無量綱環(huán)量又有了小幅度的增加，從圖6中可以看到，這是因為形成了兩個渦。隨著側風來流風速的增加，靜壓差呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在側風風速達到3m/s時靜壓差達到最大，而后隨著風速的增加，靜壓差開始減小。

3.3風速大小對進氣道出口截面流場的影響分析

圖8為不同側風風速下進氣道出口截面二維流線圖（逆航向）。從圖中可以看出，當側風風速為1m/s時，流線稍有偏轉，但尚未形成渦；側風風速為2m/s時，在進氣道出口截面形成了一個順時針旋轉的旋渦，靠近進氣道出口截面左側且旋渦的范圍較??；側風風速為3m/s時，形成的旋渦幾乎在進氣道出口截面的正下方，也為順時針方向，但旋渦的范圍更大；當側風風速為4m/s時，在進氣道出口截面下方左側形成了兩個方向相反的渦，兩個渦的強度、范圍均較為接近且均靠近壁面；側風風速為5m/s、6m/s時，與風速為4m/s時類似，也是形成了兩個方向相反的渦，但隨著風速的增加，渦的范圍減小且下方的逆時針旋轉的旋渦范圍減小得更明顯，風速為6m/s時逆時針旋轉的旋渦已經幾乎消失；側風風速為7m/s時，進氣道出口截面幾乎沒有旋渦形成。可以得出結論，在側風風速為3m/s時，進氣道出口截面的旋渦范圍均較大，而從前文的分析可知，風速為3m/s時，地面附近形成的地面渦較強，說明較強的地面渦會對進氣道出口截面流動造成更大的影響；而風速為1m/s時，從前文的分析可知，雖然形成的地面渦也被吸入了進氣道，但是到進氣道出口截面時，渦已經很不明顯或消失，說明地面渦在經過進氣道時會與主流發(fā)生摻混，渦有所減弱。

為了定量評價吸入進氣道的地面渦對風扇截面流動的影響，計算了進氣道出口截面的總壓恢復系數(shù)及渦量的環(huán)量。圖9為不同側風風速下風扇截面總壓恢復系數(shù)和無量綱環(huán)量，從圖中可以看到，在側風風速為3m/s時，總壓恢復系數(shù)最小，即產生了更多的總壓損失，但是總壓恢復系數(shù)的變化并不明顯，說明地面渦對風扇截面的總壓的影響較小。而無量綱環(huán)量隨逆風風速的增加先增大后減小，逆風風速為3m/s時，無量綱環(huán)量最大。

4結論

通過本文的研究，得到以下結論：

（1）在一定側風風速下，在地面和發(fā)動機之間會形成地面渦，當逆風風速為7m/s時，由于風速過大，地面渦已經無法進入進氣道。

（2）在可形成地面渦的風速下，地面渦的強度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在側風風速為3m/s時，地面渦的強度較大，當風速大于4m/s時，會形成兩個渦。

（3）地面渦進入進氣道之后，經過在進氣道內的發(fā)展，到風扇截面時，對風扇截面流動的影響已經比較小，但仍然存在規(guī)律，即所形成的地面渦強度越大，其對風扇截面流動的影響越大。

參考文獻

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（責任編輯王為）

作者簡介

任丁?。?994-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：航空發(fā)動機飛行試驗技術研究。

Tel：18209290892E-mail：1251913959@qq.com

Numerical Simulation of Ground Vortex of Nacelle Inlet Under Crosswind Conditions

Ren Dingding*，Wang Junqi，Yang Liu，Liu Yu

Chinese Flight Test Establishment，Xian 710089，China

Abstract： The formation and development of ground vortex in nacelle inlet under crosswind conditions are studied by numerical simulation. By changing the crosswind speed， the influence of the crosswind speed on the ground vortex and its influence on the flowfield of the inlet outlet are obtained. The results show that under the conditions of crosswind， the ground vortex is easy to form， which is accompanied by the tail vortex. With the increase of crosswind speed， the intensity of the ground vortex first increases and then decreases， and the location and structure of the ground vortex also change. The greater the intensity of the ground vortex， the greater its influence on the flowfield of the inlet outlet. However， due to the development of the ground vortex in the inlet， the influence of the ground vortex on the flowfield of the inlet outlet is relatively small.

Key Words： nacelle； inlet； crosswind； ground vortex； numerical simulation