帶風(fēng)扇葉片的短艙進(jìn)氣道地面渦數(shù)值仿真

王 成，李 博，蔡明軒，周詩睿

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院， 南京 210016)

地面渦是一種危害飛機發(fā)動機安全的自然現(xiàn)象。當(dāng)飛機發(fā)動機在近地面工作時，空氣從四面八方進(jìn)入進(jìn)氣口。由于發(fā)動機貼近地面，貼地的氣流受到限制，形成一股上升氣流，因而形成了地面渦現(xiàn)象。而地面的粉塵、顆粒物等隨之被夾帶進(jìn)入進(jìn)氣道，進(jìn)而可能會損壞風(fēng)扇葉片、壓氣機葉片等。地面渦還會造成氣流總壓損失，降低進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)，同時流場畸變指數(shù)也會增加，使得風(fēng)扇截面處氣流攻角發(fā)生變化，降低風(fēng)扇效率和推力，同時降低壓氣機的失速裕度和喘振裕度。

地面渦一旦形成，在入口流場中必存在渦量，最基本的3個渦量來源分別為：誘導(dǎo)速度和地面之間產(chǎn)生的渦量[1]、來流邊界層產(chǎn)生的渦量和短艙外壁面繞流產(chǎn)生的渦量[2]。這些渦量來源又與來流角度和速度比有關(guān)[3]。而決定地面渦強度的2個參數(shù)分別是進(jìn)氣道距地面高度和進(jìn)氣道入口速度與來流速度比[4]。

1982年，De Siervi等[5]采用進(jìn)氣道簡化縮比模型在水洞中進(jìn)行模擬試驗，發(fā)現(xiàn)地面渦的形成與來流速比有關(guān)。1986年，趙光敏等[6]討論了風(fēng)機水平放置并靠近地面工作時，產(chǎn)生地面渦的必要條件，對地面渦的生成機理及其旋轉(zhuǎn)方向做了分析。2005年，Andrei Secareanu[7]采用煙線和顆粒物作為流動可視化工具對地面渦進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)地面渦與來流邊界層有關(guān)。2006年，Yoram Yadlin[8]通過數(shù)值模擬研究了一對發(fā)動機在順風(fēng)和逆風(fēng)下的渦系，結(jié)果表明：不論在順風(fēng)還是逆風(fēng)條件下，發(fā)動機與發(fā)動機之間、發(fā)動機與地面之間和發(fā)動機與機身之間都會產(chǎn)生渦。2008年，Ho[9]通過一直管來模擬發(fā)動機在側(cè)風(fēng)條件下的地面渦生成情況。2011年，Vunnam[10]對HTF7000發(fā)動機短艙和機身一體化建模，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模擬真實情況下的22個風(fēng)扇葉片以及靜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。2012年，Trapp[11]對短艙簡化模型DLR-F6進(jìn)行數(shù)值仿真研究，結(jié)果表明，地面渦的存在必須要有渦量，也就是必須要有黏性的存在，地面或短艙無滑移都會產(chǎn)生地面渦。2013年，Horvath[12]采用非定常研究地面渦的形成，發(fā)現(xiàn)單個地面渦形成過程中會出現(xiàn)多個小的地面渦，同時還常常伴隨有尾渦和二次渦。

圖1 地面渦現(xiàn)象

國外有關(guān)地面渦的研究已經(jīng)有接近50年的歷史，而國內(nèi)相關(guān)研究還處于初步探索階段。由于國內(nèi)外對于地面渦的研究大多數(shù)還只是局限在不帶風(fēng)扇葉片的簡化模型上，因此本文針對側(cè)風(fēng)來流條件研究加入真實發(fā)動機風(fēng)扇葉片后短艙進(jìn)氣道地面渦的生成情況，總結(jié)短艙進(jìn)氣道在加入葉片后隨不同側(cè)風(fēng)滑跑條件以及不同距地面高度下地面渦的特點和對發(fā)動機性能的影響，得到了地面渦變化規(guī)律，對短艙進(jìn)氣道地面渦的預(yù)防[13]及應(yīng)用具有一定的實際參考意義。

1 物理模型和網(wǎng)格

本文研究的模型為文獻(xiàn)[12]的短艙進(jìn)氣道縮比模型。為了研究真實情況下進(jìn)氣道出口處加入風(fēng)扇葉片后的地面渦形成發(fā)展規(guī)律，本文排除其他干擾因素，只針對單獨短艙來進(jìn)行研究，不考慮機身機翼的影響。

如圖2所示，短艙進(jìn)氣道的內(nèi)徑為160 mm，中徑為180 mm，外徑為200 mm，進(jìn)氣道出口截面距離唇口前緣點70 mm，唇口型面為橢圓，長軸與短軸之比為2∶1，長半軸20 mm，短半軸10 mm。

圖2 不帶葉片短艙進(jìn)氣道模型示意圖

本文采用的葉片為通用電氣公司研制的GE90發(fā)動機葉片，葉片數(shù)為22片，葉片示意圖如圖3所示。GE90葉片參數(shù)如表1所示，由于采用的短艙進(jìn)氣道模型(圖4)內(nèi)徑為160 mm，同時考慮到計算量的因素，因此將GE90葉片進(jìn)行適當(dāng)?shù)目s比，并減少葉片數(shù)為11片。

表1 GE90葉片參數(shù)

圖3 葉片示意圖

圖4 短艙進(jìn)氣道示意圖

利用NUMECA旗下的Hexpress軟件對計算模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格單元進(jìn)行填充，在唇口，短艙進(jìn)氣道內(nèi)、外壁面以及地面渦可能形成的區(qū)域(進(jìn)氣道唇口下方)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，附面層第1層網(wǎng)格高度為0.01 mm。如圖5所示，包含葉片的轉(zhuǎn)子域網(wǎng)格單元總量約為250 W，靜子域網(wǎng)格單元總量約為300 W，總網(wǎng)格單元總量在550 W左右。

圖5 六面體網(wǎng)格(h/Dl=0.25)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計算方法

數(shù)值模擬研究所采用的計算軟件為FLUENT14.0，采用的計算控制方程為三維雷諾平均Navier-Stokes方程，時間離散選用了全隱式時間推進(jìn)格式，空間離散采用了2階迎風(fēng)格式，計算所采用的湍流模型為SSTk-ω模型。采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法(MRF)來模擬葉片的旋轉(zhuǎn)運動。

2.2 邊界條件設(shè)置

圖6為計算域示意圖，長方體區(qū)域大小為 3 000 mm(x)×2 000 mm(y)×5 000 mm(z)，其中灰色區(qū)域為地面，紅色箭頭指不同的來流方向，在FLUENT中設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場，短艙進(jìn)氣道軸線為z軸。

圖6 計算域示意圖

表2為含有風(fēng)扇葉片的FLUENT邊界條件類型，流體域分為包含葉片的轉(zhuǎn)動區(qū)域和靜子區(qū)域，兩者交界的3個面都設(shè)置為交界面(Interface)。葉片后的進(jìn)氣道出口面的邊界條件設(shè)為壓力出口邊界，其中地面在側(cè)風(fēng)滑跑狀態(tài)下為運動壁面，相應(yīng)地在Fluent中進(jìn)行設(shè)置。

表2 邊界條件類型

進(jìn)氣道進(jìn)口設(shè)計馬赫數(shù)為0.5，在地面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件計算，葉片轉(zhuǎn)速按葉尖馬赫數(shù)為1.1，所得主要參數(shù)如表3所示。

表3 進(jìn)氣道出口相關(guān)參數(shù)

2.3 術(shù)語定義

為了定量分析地面渦的強度，需要計算地面渦的環(huán)量Γ值，可得：

對地面渦環(huán)量進(jìn)行量綱一化，可得到量綱一化環(huán)量Γ*：

其中：Dl為進(jìn)氣道中徑；Vi為進(jìn)氣道進(jìn)口面平均速度。如果同時存在正環(huán)量和負(fù)環(huán)量的地面渦(地面渦的轉(zhuǎn)動方向相反)，則總環(huán)量的計算方法為

Γtotal=|Γ+|+|Γ-|

(3)

因為地面為無滑移邊界，因此渦量為零，對渦量進(jìn)行分析需要創(chuàng)建一個參考面。根據(jù)Murphy[13]的結(jié)論，該截面距離地面的高度h滿足關(guān)系式：

其中Dl為進(jìn)氣道中徑，該面即為文獻(xiàn)[13]中的PIV實驗測量平面，下文中命名該面為PIV截面。

側(cè)風(fēng)滑跑時空氣相對短艙進(jìn)氣道的運動速度為

V∞=Vg+Vw

(5)

其中:Vg為短艙進(jìn)氣道的滑跑速度;Vw為逆風(fēng)風(fēng)速。

為了分析進(jìn)氣道內(nèi)流場的不均勻程度，衡量進(jìn)氣道出口的氣流品質(zhì)，需要計算流場的畸變指數(shù)。本文采用發(fā)動機常用的畸變指數(shù)DC60，其定義式為

3 算例校驗

算例校驗選取了Murphy[14-16]在Cranfield大學(xué)低速風(fēng)洞中進(jìn)行的地面渦風(fēng)洞實驗。針對該風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值仿真，將數(shù)值仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證本文計算的有效性。

選取距地面高度h/Dl=0.25的短艙進(jìn)氣道實驗?zāi)Ｐ停謩e計算5種側(cè)風(fēng)來流條件：V∞=10、15、20、25、30 m/s。表4為5種不同側(cè)風(fēng)來流條件下得到的DC60值。將數(shù)值仿真結(jié)果與地面渦實驗結(jié)果進(jìn)行分析對比，根據(jù)表3繪制圖7。從圖7中可以看出，DC60數(shù)值仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同，吻合度較好。

表4 不同來流條件下的CFD結(jié)果

圖7 DC60的實驗結(jié)果和CFD結(jié)果對比

4 計算結(jié)果分析對比

為了能夠更加清晰地認(rèn)識加入風(fēng)扇葉片后地面渦以及短艙進(jìn)氣道性能的變化，首先針對h/Dl=0.25的短艙進(jìn)氣道模型分別在純側(cè)風(fēng)(短艙無滑跑速度)來流速度10、20、30和40 m/s的條件下探究不同的側(cè)風(fēng)來流速度對地面渦的影響；然后保持側(cè)風(fēng)速度Vw一定，在地面滑跑速度Vg分別為10、20、30和40 m/s下分析滑跑速度對地面渦的影響；最后再針對短艙進(jìn)氣道模型分別在距地面高度為h/Dl=0.25、0.4、0.6(Dl不變，改變h)下研究不同距地面高度對地面渦生成以及短艙進(jìn)氣道性能的影響。

圖8為側(cè)風(fēng)滑跑時的速度示意圖，圖中的流線為PIV截面的二維流線。需要模擬的側(cè)風(fēng)速度為10 m/s，滑跑速度為10 m/s，因此地面邊界給定的速度大小為10 m/s，方向沿著z負(fù)方向。遠(yuǎn)場來流給定的速度大小為10 m/s，方向沿著x正方向。此時的側(cè)風(fēng)速度為這2個速度的矢量合成，大小為14.14 m/s。

圖8 側(cè)風(fēng)滑跑時速度示意圖

由于加入風(fēng)扇葉片后取代了不加風(fēng)扇葉片的進(jìn)氣道出口截面，所以這里將葉片前0.05倍直徑處的截面(交界面)當(dāng)作進(jìn)氣道出口面，以此截面來分析進(jìn)氣道出口的畸變，圖9為進(jìn)氣道出口示意圖。

圖9 進(jìn)氣道出口示意圖

圖10為葉片表面壓力示意圖，從圖中可知葉片的迎風(fēng)面是低壓區(qū)，背風(fēng)面是高壓區(qū)，從而形成了向前的推力。

圖10 葉片表面壓力示意圖

4.1 側(cè)風(fēng)條件下不同來流速度分析

本小節(jié)主要研究在地面無滑跑條件下的側(cè)風(fēng)來流速度對地面渦生成的影響，選取的短艙進(jìn)氣道模型為h/Dl=0.25，遠(yuǎn)場來流速度分別為Vw=10、20、30和40 m/s。

圖11顯示的是PIV截面y方向渦量分布等值云圖。對于前2種來流狀態(tài)，從云圖上可以看到非常明顯的高渦量區(qū)，局部渦量最高可達(dá)20 000 m2/s。當(dāng)來流速度V∞達(dá)到30 m/s之后，高渦量集中區(qū)開始變得不明顯，并且出現(xiàn)了一正一負(fù)2個地面渦，此時2個地面渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，說明隨著來流速度的增加，原先高渦量集中的地面渦由于受到側(cè)風(fēng)來流的干擾被吹散成2個旋轉(zhuǎn)方向相反的地面渦，此時的地面渦強度弱于高渦量集中的地面渦。

圖11 PIV截面渦量分布等值云圖

圖12為葉片前0.05倍直徑處的總壓分布等值云圖。對于前2種來流狀態(tài)，由于地面渦的集中造成了進(jìn)氣道內(nèi)一個圓形區(qū)域的總壓損失區(qū)，當(dāng)來流速度達(dá)到V∞=30 m/s之后，圓形總壓損失區(qū)域不明顯。4種側(cè)風(fēng)來流條件下在截面的背風(fēng)面上都存在“月牙形”流動分離區(qū)，并且隨來流速度的增加而增大。

圖12 葉片前0.05倍直徑處總壓示意圖

圖13為葉片后0.05倍直徑處總壓分布等值云圖。從圖中可以看出：氣流經(jīng)過葉片后會在葉尖處形成明顯的總壓損失區(qū)域，也會在葉根處形成局部的總部的總壓損失，并且扇形總壓損失區(qū)域基本呈對稱分布。隨來流速度的增加，背風(fēng)面處的扇形總壓損失會逐漸減弱。

4.2 不同滑跑速度分析

本小節(jié)主要研究在遠(yuǎn)場來流條件一定的情況下滑跑速度對地面渦生成以及進(jìn)氣道性能的影響，選取短艙進(jìn)氣道模型為h/Dl=0.25模型，遠(yuǎn)場來流速度選取Vw=10 m/s，滑跑速度分別為Vg=10、20、30和40 m/s。

圖14顯示的是滑跑條件下的地面渦流線圖。當(dāng)?shù)孛婊芩俣葹?0 m/s和20 m/s時，在進(jìn)氣道和地面之間存在地面渦，同時在進(jìn)氣道上方下游形成尾渦。滑跑速度達(dá)到30 m/s時，在進(jìn)氣道和地面之間依然存在地面渦，不過此時的地面渦較弱。當(dāng)滑跑速度達(dá)到40 m/s時，地面渦消失。

圖13 葉片后0.05倍直徑總壓分布等值云圖

圖14 地面渦流線圖(Vg=10 m/s)

圖15顯示的是PIV截面y方向渦量分布云圖。從圖中可以看出：當(dāng)遠(yuǎn)場來流速度一定時，地面渦的渦心會隨著滑跑速度的增加而向進(jìn)氣道的下游背風(fēng)面移動。當(dāng)滑跑速度達(dá)到40 m/s時，地面渦消失。

圖16為進(jìn)氣道葉片前0.05倍直徑處總壓分布等值云圖。觀察圖16可以發(fā)現(xiàn)：此時流場較為均勻，畸變程度較小?？倝簱p失區(qū)域主要是由地面渦集中造成的一個圓形的損失區(qū)域，分布在流場截面的背風(fēng)面處。當(dāng)滑跑速度達(dá)到40 m/s時，圓形的總壓損失區(qū)域消失。

圖15 PIV截面渦量分布等值云圖(Vw=10 m/s)

圖16 葉片前0.05倍直徑處總壓示意圖(Vw=10 m/s)

4.3 側(cè)風(fēng)條件下不同距地高度分析

本節(jié)主要研究不同的距地面高度對地面渦的影響。側(cè)風(fēng)來流速度為Vw=10 m/s，地面無滑跑(Vg=0 m/s)，距地面高度h/Dl分別為0.25、0.4和0.6。

圖17顯示的是PIV截面y方向渦量分布等值云圖。由對比可知：隨著短艙進(jìn)氣道距地面高度h/Dl的增加，地面渦向下游移動，地面渦強度也逐漸減弱，同時高渦量區(qū)中心的最大渦量值逐漸減小，當(dāng)距地面高度h/Dl=0.6時，高渦量區(qū)已經(jīng)不明顯。

圖17 PIV截面渦量分布等值云圖

圖18顯示的是葉片前0.05倍直徑處截面馬赫分布等值云圖。從圖中可發(fā)現(xiàn)：對于距地面高度h/Dl=0.25時，由于地面渦的集中使得葉片前的截面上出現(xiàn)圓形的低速區(qū)；而當(dāng)h/Dl=0.4時，圓形的低速區(qū)域向下游移動并且低速區(qū)不明顯；當(dāng)h/Dl=0.6時，低速區(qū)域消失，流場分布變得較為均勻。

圖18 葉片前0.05倍直徑處總壓分布等值云圖

4.4 計算結(jié)果分析

圖19為Γ*隨Vi/V∞的變化曲線，圖中的不同計算狀態(tài)分別為無風(fēng)滑跑、10 m/s滑跑和20 m/s滑跑、純側(cè)風(fēng)狀態(tài)(僅有側(cè)風(fēng)，短艙無運動)。對于純側(cè)風(fēng)狀態(tài)，隨著速度比增加，量綱為一環(huán)量Γ*先增加后減小。而在地面滑跑10 m/s和地面滑跑20 m/s狀態(tài)，Γ*隨著速比的增加而增加。而無風(fēng)滑跑狀態(tài)的地面渦只在較大速度比條件下存在。當(dāng)速度比相同時，純側(cè)風(fēng)條件下的Γ*最大，無風(fēng)滑跑狀態(tài)Γ*最小。

圖19 地面渦Γ*隨Vi /V∞變化曲線(h/Dl=0.25)

圖20為葉片前0.05倍直徑截面處的DC60值隨側(cè)風(fēng)來流速度變化曲線，此時的短艙進(jìn)氣道與地面之間沒有相對速度。從圖中可以看出：當(dāng)距地面高度一定時，DC60值會隨著來流速度的增加而增加，且在來流速度V∞=10 m/s的DC60值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他來流條件下的值。經(jīng)對比還可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)側(cè)風(fēng)來流速度一定時，隨著短艙進(jìn)氣道距地面高度的增加，地面渦逐漸減弱直至消失，截面上的總壓損失逐漸降低，所以DC60值隨著距地面高度的增加而降低。

圖20 DC60隨來流速度變化曲線(純側(cè)風(fēng))

圖21為總壓恢復(fù)系數(shù)σ隨側(cè)風(fēng)來流速度變化曲線。從圖中可以看出：當(dāng)短艙進(jìn)氣道距地面高度一定時，由于側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)氣道背風(fēng)面流動分離區(qū)域會隨著側(cè)風(fēng)來流速度的增加而增大，所以總壓恢復(fù)系數(shù)σ隨著側(cè)風(fēng)來流速度的增加而降低。對比還可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)側(cè)風(fēng)來流速度一定時，隨著距地面高度的增加，地面渦逐漸減弱直至消失，進(jìn)氣道內(nèi)的圓形總壓損失區(qū)域逐漸消失，所以總壓恢復(fù)系數(shù)隨著距地面高度的增加而增加。

圖21 總壓恢復(fù)系數(shù)σ隨來流速度變化(純側(cè)風(fēng))

將無風(fēng)滑跑條件下的12種計算條件所得到的地面渦情況標(biāo)示在圖22中，圖中的直線為擬合出來的地面渦分界線，直線上方為地面渦存在的情況，下方則為地面渦不存在的情況。為了形成對比分析，圖中還給出了純側(cè)風(fēng)來流條件下的地面渦分界線，即圖中的虛線。

圖22 無風(fēng)滑跑和純側(cè)風(fēng)地面渦分界線

圖23為4種不同條件下的地面渦分界線，上方為地面渦存在的區(qū)域，下方為地面渦不存在的區(qū)域。對比可知：無風(fēng)滑跑情況下最不容易形成地面渦，純側(cè)風(fēng)在低距地面高度比下最容易形成地面渦。4條分界線方程分別為：

1) 無風(fēng)滑跑

2) 滑跑速度10m/s

3) 滑跑速度20m/s

4) 純側(cè)風(fēng)

圖23 地面渦分界線

5 結(jié)論

針對側(cè)風(fēng)滑跑條件下的短艙進(jìn)氣道地面渦進(jìn)行了定常數(shù)值仿真模擬。結(jié)論如下：

1) 在同一個距地面高度下，當(dāng)速比相同時，純側(cè)風(fēng)條件下的地面渦強度最大，無風(fēng)滑跑狀態(tài)的地面渦強度最小。

2) 在純側(cè)風(fēng)來流條件下，加入真實葉片后的短艙進(jìn)氣道畸變指數(shù)DC60主要受到側(cè)風(fēng)來流速度的影響，受距地面高度的影響較小，并且DC60隨側(cè)風(fēng)速度的增加而增加。

3) 在純側(cè)風(fēng)來流條件下，短艙進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)會隨著側(cè)風(fēng)速度的增加而降低，同時也會隨著距地面高度的增加而增加。

4) 利用地面渦存在與否的分界線方程，可以對地面渦的形成進(jìn)行預(yù)測，具有一定的實際應(yīng)用意義。