進(jìn)氣道旋流模擬及測(cè)量地面試車臺(tái)試驗(yàn)研究

姜 健，屈霽云，趙海剛，楊 曉

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089)

1 引言

現(xiàn)代空戰(zhàn)的發(fā)展趨勢(shì)要求作戰(zhàn)飛機(jī)具備過(guò)失速機(jī)動(dòng)、敏捷性、隱身性等性能，而這對(duì)進(jìn)入進(jìn)氣道的空氣的均勻性非常不利。尤其是對(duì)于采用S彎管的進(jìn)氣道，其出口截面可能出現(xiàn)強(qiáng)烈旋流，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)失速、喘振，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。20世紀(jì)70年代末，國(guó)外通過(guò)解決狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)試飛中左、右發(fā)動(dòng)機(jī)喘振及停車問(wèn)題[1]，找到了一條較為合理的處理旋流問(wèn)題的技術(shù)路徑：模擬進(jìn)氣道出口典型旋流流場(chǎng)，在地面試車臺(tái)或飛行試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)抗旋流能力試驗(yàn)。

進(jìn)氣道出口旋流存在整體渦旋流、局部渦旋流和對(duì)渦旋流三種基本形式，實(shí)際中，絕大多數(shù)為這三種形式的組合[2]。要研究旋流、評(píng)定旋流及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，首先要模擬出典型的旋流流場(chǎng)，其次要找到合理的旋流測(cè)量方案和評(píng)定指標(biāo)，最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究旋流及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響。

本文在數(shù)值計(jì)算[3]及風(fēng)洞試驗(yàn)[4，5]的基礎(chǔ)上，利用驗(yàn)證過(guò)的葉片式旋流發(fā)生器和五孔探針測(cè)量方案，在地面試車臺(tái)上模擬出典型的旋流流場(chǎng)，進(jìn)一步在進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物上驗(yàn)證了旋流模擬方法、測(cè)量方法的有效性及旋流評(píng)定指標(biāo)的可行性。

2 旋流發(fā)生器及五孔探針

利用葉片式旋流發(fā)生器產(chǎn)生旋流。本文采用NACA65系列葉型加工直葉片作為旋流發(fā)生元件，葉片高110 mm，弦長(zhǎng)120 mm，安裝角0°，葉片轉(zhuǎn)折角30°，葉片如圖1所示。實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)若干葉片組合來(lái)產(chǎn)生不同旋流。

圖1 旋流發(fā)生葉片F(xiàn)ig.1 Blade of the swirl generator

采用8支五孔探針對(duì)旋流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。由于安裝原因，本文五孔探針的探頭和安裝座分別加工，最后進(jìn)行組合、焊接(圖2)。

圖2 五孔探針Fig.2 Five-hole Probe

在抽吸式標(biāo)定風(fēng)洞中對(duì)加工的探針進(jìn)行標(biāo)定，-25°≤α≤25°(α為攻角)，-25°≤β ≤25°(β為側(cè)滑角)，分別進(jìn)行了馬赫數(shù)Ma=0.2、0.3、0.4、0.5的變馬赫數(shù)標(biāo)定和擬合。某探針在Ma=0.5時(shí)標(biāo)定出的特性網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示，圖中Cα、Cβ分別為偏轉(zhuǎn)氣流的俯仰偏轉(zhuǎn)標(biāo)定系數(shù)和偏航偏轉(zhuǎn)標(biāo)定系數(shù)。從圖中看特性線規(guī)則度好，說(shuō)明探針加工質(zhì)量好。8支探針的α、β多項(xiàng)式擬合方差小于0.7°，其余系數(shù)的擬合方差均小于3%，表明探針均能用于較高精度的流場(chǎng)測(cè)量。

3 地面試車臺(tái)及試驗(yàn)方案

旋流模擬及測(cè)量驗(yàn)證試驗(yàn)在室內(nèi)地面試車臺(tái)上進(jìn)行。試車臺(tái)如圖4所示，由整流罩、進(jìn)氣筒體、筒體支架、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、試車控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖3 Ma=0.5時(shí)某五孔探針的特性圖Fig.3 Characteristics of a five-hole probe at Mach number 0.5

圖4 用于旋流模擬試驗(yàn)的試車臺(tái)Fig.4 Ground test bed used for swirl simulation test

8支五孔探針作為受感部沿發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口0.87倍半徑處周向均布(圖5)，后端由管接嘴引至40支絕對(duì)壓力傳感器。另外在同截面壁面開(kāi)三個(gè)小孔，用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口靜壓。試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)入車臺(tái)數(shù)采系統(tǒng)，連續(xù)記錄。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口安裝的8支五孔探針Fig.5 Eight five-hole probes installed at the engine inlet

通過(guò)不同葉片布置方式來(lái)模擬不同的旋流，旋流發(fā)生器距發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口1.5倍直徑；在同一葉片布置方式下，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)來(lái)控制進(jìn)口馬赫數(shù)，以模擬不同進(jìn)口馬赫數(shù)下的旋流。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù)由8支五孔探針中間孔平均得到的總壓和壁面靜壓計(jì)算得到。試驗(yàn)時(shí)葉片布置方式和試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 葉片布置方式及試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用文獻(xiàn)[6]提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)旋流進(jìn)行評(píng)價(jià)。旋流評(píng)價(jià)指標(biāo)為：整體渦強(qiáng)度ICB，整體渦指數(shù)SCB，對(duì)渦強(qiáng)度ICT和對(duì)渦指數(shù)SCT。純整體渦時(shí)，SCB＝1、SCT ＝0；純對(duì)渦時(shí)，SCB＝0、SCT ＝1。另外，本文定義，逆航向看，逆時(shí)針為正、順時(shí)針為負(fù)。

4.1 整體渦旋流模擬結(jié)果

如圖6所示，利用6個(gè)葉片在進(jìn)氣筒體進(jìn)口均布來(lái)模擬整體渦。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，Ma=0.35時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口0.87倍半徑處的旋流速度矢量圖如圖8所示。從圖中看出，模擬出的整體渦強(qiáng)度可達(dá)15°，且旋流強(qiáng)度基本不隨馬赫數(shù)變化；模擬結(jié)果中SCB較大，而SCT較小，也說(shuō)明模擬出的旋流為典型的整體渦旋流，這與圖8所反映的情況及葉片布置方式的預(yù)期模擬效果相同；整個(gè)渦左半邊旋流強(qiáng)度大，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一定的誘導(dǎo)速度，使渦核偏向于左半部。

圖6 整體渦模擬葉片布置方式Fig.6 Blade distribution for simulating bulk swirl

圖7 整體渦模擬結(jié)果Fig.7 Bulk swirl simulation results

圖8 整體渦旋流速度矢量圖Fig.8 Swirl vector of generated bulk swirl

4.2 局部渦旋流模擬結(jié)果

如圖9所示，利用4個(gè)葉片在進(jìn)氣筒體進(jìn)口右半邊均布來(lái)模擬局部渦。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，Ma=0.35時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口0.87倍半徑處的旋流速度矢量圖如圖11所示。從圖中看：模擬出的旋流流場(chǎng)右半邊強(qiáng)度較大，左半邊強(qiáng)度很小，流場(chǎng)為典型的局部渦旋流；模擬結(jié)果中，整體渦和對(duì)渦強(qiáng)度相當(dāng)，而SCB和SCT均在0.5左右，也說(shuō)明模擬出的旋流為典型的局部渦旋流。

圖9 局部渦模擬葉片布置方式Fig.9 Blade distribution for simulating local swirl

圖10 局部渦模擬結(jié)果Fig.10 Local swirl simulation results

圖11 局部渦旋流速度矢量圖Fig.11 Swirl vector of generated local swirl

4.3 對(duì)渦旋流模擬結(jié)果

如圖12所示，利用3個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)折葉片在周向0°～120°均布和3個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)折葉片在周向180°～270°均布來(lái)模擬對(duì)渦。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，Ma=0.35時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口0.87倍半徑處的旋流速度矢量圖如圖14所示。從圖中看，右半邊旋流為順時(shí)針，左半邊旋流為逆時(shí)針，流場(chǎng)為典型的對(duì)渦結(jié)構(gòu)；模擬結(jié)果中SCB較小、SCT較大，也反映出旋流為典型的對(duì)渦旋流；ICB基本都為很小的負(fù)值，說(shuō)明左邊旋流強(qiáng)度略大，為發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度影響所致。

圖12 對(duì)渦模擬葉片布置方式Fig.12 Blade distribution for simulating twin swirl

圖13 對(duì)渦模擬結(jié)果Fig.13 Twin swirl simulation results

圖14 對(duì)渦旋流速度矢量圖Fig.14 Swirl vector of generated twin swirl

5 結(jié)論

(1)葉片式旋流發(fā)生器能有效地模擬出典型的整體渦、局部渦及對(duì)渦結(jié)構(gòu)，整體渦強(qiáng)度可達(dá)15°。

(2)馬赫數(shù)對(duì)旋流模擬結(jié)果影響不大，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度對(duì)旋流流場(chǎng)有一定影響。

(3)本文采用的旋流測(cè)量方法行之有效且精度較高；旋流評(píng)定指標(biāo)合理可行，能較為直觀地反映旋流流場(chǎng)的強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)。

[1]Aulehla F.Intake Swirl—a Major Disturbance Parameter in Engine/Intake Compatibility[C]//.Proceedings of the 13thCongress of ICAS/AIAA.ICAS-82-4.8.1，1982.

[2]Beale D K，Cramer K B，King P S.Development of Im?proved Methods for Simulating Aircraft Inlet Distortion in Turbine Engine Ground Test[R].AIAA 2002-3045，2002.

[3]姜 健，屈霽云，史建邦.進(jìn)氣道旋流發(fā)生器的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2008，21(1)：43—46.

[4]鄧小寶，姜 健，屈霽云，等.進(jìn)氣道旋流模擬及測(cè)量的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2009，22(4)：51—56.

[5]葉 飛，張堃元，姜 健，等.進(jìn)氣道旋流模擬及測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2009，30(3)：297—301.

[6]彭成一，馬家駒，尹軍飛.新機(jī)試飛中的進(jìn)氣道旋流測(cè)量[J].推進(jìn)技術(shù)，1994，8(4)：8—13.