模態(tài)轉(zhuǎn)換時間對模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的影響

唐 琳，孫 波

(南京理工大學(xué) 航空宇航系， 南京 210094)

吸氣式高超聲速飛行器越來越受到各航天大國的關(guān)注，吸氣式高超聲速技術(shù)是發(fā)展高超聲速推進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，它的飛行馬赫數(shù)十分寬廣，從亞聲速、跨聲速、超聲速一直到高超聲速，但目前任何一種單一的吸氣式發(fā)動機(jī)(渦輪發(fā)動機(jī)或沖壓發(fā)動機(jī))均不能滿足要求，因此國內(nèi)外對組合動力開展了廣泛的研究。渦輪機(jī)組合循環(huán)發(fā)動機(jī)將渦輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)結(jié)合在一起，結(jié)合了各自飛行范圍的優(yōu)勢，使其具有可水平起降、重復(fù)使用、可靠性高、低速性能好等優(yōu)點，是高速飛行器重要的推進(jìn)系統(tǒng)選擇方案之一[1-3]。

TBCC進(jìn)氣道是TBCC發(fā)動機(jī)的重要組成部件,它的主要任務(wù)是高效率地向渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)或沖壓發(fā)動機(jī)的燃燒室提供一定壓力、溫度、速度和流量的空氣,以滿足飛行器高超聲速飛行的需要，其中包括模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中同時向渦輪通道和沖壓通道提供所需氣流，因此能否完成模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的平穩(wěn)過渡是決定TBCC發(fā)動機(jī)是否研制成功的關(guān)鍵。因此，對TBCC進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換的研究在TBCC設(shè)計技術(shù)中十分重要[4]。

國內(nèi)對進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的研究正在逐漸增多，如曹石彬等[5]利用定常與非定常相結(jié)合的辦法，分析了模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中外并聯(lián)型TBCC進(jìn)氣道的流場變化，性能參數(shù)的變化以及模態(tài)轉(zhuǎn)換時間的影響。袁化成等[6]對一種外并聯(lián)渦輪機(jī)組合循環(huán)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行了基于定常和非定常的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程氣動特性分析，獲取了進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的流動特性。劉君等[7]對一種內(nèi)并聯(lián)式TBCC進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)特性開展了數(shù)值仿真研究，重點分析了非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程對進(jìn)氣道氣動性能的影響。孫波等[8]對三種典型并聯(lián)方案(后開內(nèi)并聯(lián)、前開外并聯(lián)、混合式內(nèi)并聯(lián))在Ma2.1的模態(tài)轉(zhuǎn)換工況下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真分析。向先宏等[9]通過動態(tài)數(shù)值模擬和高速風(fēng)洞實驗對外并聯(lián)進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行了初步探索研究。

國外單純對TBCC進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程氣動特性開展的研究工作并不太多，Albertson 等[10]在2006年對雙通道渦輪基組合循環(huán)進(jìn)氣道進(jìn)行了風(fēng)洞實驗研究。Sauder等[11]在2008年美國宇航局(NASA)報告中對一種Ma=7的二元外并聯(lián)式雙模態(tài)TBCC進(jìn)氣道設(shè)計過程進(jìn)行了詳盡說明，初步完成了控制模態(tài)轉(zhuǎn)換的分流板的設(shè)計工作。Slater等[12]在2010年時采用 CFD技術(shù)仿真了TBCC進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的氣動性能，并與風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

本文利用動網(wǎng)格技術(shù)及非定常數(shù)值仿真方法對外并聯(lián)TBCC進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中沖壓通道起動和不起動狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行數(shù)值仿真研究，以獲得TBCC并聯(lián)進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程進(jìn)氣道沖壓通道起動特性。

1 進(jìn)氣道幾何模型和數(shù)值模擬方法

對二元TBCC外并聯(lián)進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程(渦輪通道由開到閉以及由閉到開)進(jìn)行數(shù)值仿真，上通道為沖壓通道，下通道為渦輪通道，模態(tài)轉(zhuǎn)換馬赫數(shù)為2.1，進(jìn)氣道幾何模型如圖1所示,沖壓通道采用三波系設(shè)計，內(nèi)收縮比為1.06，第一，二，三級壓縮面的壓縮角分別為4.8°，3.9°以10.8°。本文采用的進(jìn)氣道模型的分流板的轉(zhuǎn)軸位置比較靠后，進(jìn)氣道分流板的轉(zhuǎn)軸位置對進(jìn)氣道的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程有一定影響，因為分流板轉(zhuǎn)軸位置決定了分流板旋轉(zhuǎn)時影響的流場大小。

根據(jù)文獻(xiàn)[5，13],在進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算時，求解器和湍流模型等的選擇與穩(wěn)態(tài)計算一致。本文采用N-S方程求解器，采用有限體積法對雷諾平均數(shù)進(jìn)行離散，黏性通量采用二階中心差分法進(jìn)行離散，采用RNGk-ε的湍流模型，近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行模擬。分子粘性系數(shù)采用Surtherland公式計算，對壁面取絕熱無滑移固體邊界條件。分流板旋轉(zhuǎn)7.2°，選擇模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms,則需設(shè)置其角速度為1.66 rad/s。因此，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算時，設(shè)置時間步長為10-5s,時間步數(shù)為10 000步。每個時間步內(nèi)的迭代次數(shù)為200次。本文一共選取了三個模態(tài)轉(zhuǎn)換時間50 ms,100 ms以及1 s,時間的選取參照了文獻(xiàn)[4]，為了獲得模態(tài)轉(zhuǎn)換時間對模態(tài)轉(zhuǎn)換過程的影響，本文選取了3個差值較大的時間，對時間的選取不固定也可以選擇其他時間進(jìn)行模擬計算。

進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算前，計算一個穩(wěn)態(tài)流場作為非穩(wěn)態(tài)流場的初始流場。在進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計算時，需要使用Fluent的動網(wǎng)格技術(shù)，本文采用的動網(wǎng)格算法為彈簧光順和局部重構(gòu)法，運動區(qū)域為外并聯(lián)TBCC進(jìn)氣道的分流板，將其設(shè)置為剛體運動。采用混合網(wǎng)格對外并聯(lián)TBCC進(jìn)氣道計算域進(jìn)行劃分，其網(wǎng)格如圖2所示。分流板附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，而其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這樣既可以保證分流板轉(zhuǎn)動時其附近的網(wǎng)格進(jìn)行動態(tài)更新，又沒有降低其他區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量。整個進(jìn)氣道的網(wǎng)格量大約為10萬，壁面的y+值在30左右。

圖1 進(jìn)氣道幾何模型

圖2 進(jìn)氣道計算網(wǎng)格

2 不同模態(tài)轉(zhuǎn)換時間的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程性能分析

對外并聯(lián)進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換過程，渦輪通道由開到閉(正向模態(tài)轉(zhuǎn)換)以及由閉到開(反向模態(tài)轉(zhuǎn)換)在Ma2.1進(jìn)行仿真分析。

2.1 渦輪通道全開和全閉穩(wěn)定流場分析

首先對渦輪通道完全打開和完全關(guān)閉兩種狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，以作為模態(tài)轉(zhuǎn)換過程非穩(wěn)態(tài)計算的初場。當(dāng)渦輪通道全開時，沖壓通道處于起動狀態(tài)，如圖3(a)，唇口斜激波打在下壁面，在沖壓通道內(nèi)形成反射波，沖壓通道內(nèi)主流均為超聲速。當(dāng)渦輪通道全關(guān)時，沖壓通道由起動變?yōu)椴黄饎樱鐖D3(b)，在唇口處出現(xiàn)溢流脫體激波，沖壓通道主流產(chǎn)生亞聲速流，在沖壓通道下壁面處產(chǎn)生厚邊界層，且分流板產(chǎn)生的斜激波強(qiáng)度變大。此時的情況與文獻(xiàn)[4]中出現(xiàn)的情況一致在渦輪通道全部關(guān)閉時，在沖壓通道處出現(xiàn)溢流導(dǎo)致沖壓通道不起動。

圖3 渦輪通道全開和全關(guān)的等馬赫圖

2.2 模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms時進(jìn)氣道流場分析

分流板圍繞后邊的轉(zhuǎn)軸逆時針旋轉(zhuǎn)，渦輪通道由開到閉一共轉(zhuǎn)動7.2°，用時100 ms,在整個模態(tài)轉(zhuǎn)換過程每隔10 ms截取一個流場圖。渦輪通道關(guān)閉10%到渦輪通道全關(guān)的等馬赫線圖如圖4所示，渦輪通道關(guān)閉10%到50%，沖壓通道起動，隨著分流板向下轉(zhuǎn)動，沖壓通道內(nèi)反射波消失，馬赫數(shù)逐漸減小，分流板產(chǎn)生的斜激波的強(qiáng)度逐漸增大，從圖4(a)-圖4(c)可以看出渦輪通道關(guān)閉10%到30%的流場圖相似，在渦輪通道關(guān)閉40%時，沖壓通道內(nèi)開始產(chǎn)生亞聲速流，此時的沖壓通道內(nèi)既有超聲速流也有亞聲速流，當(dāng)渦輪通道關(guān)閉50%時，此時唇口激波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，沖壓通道內(nèi)產(chǎn)生較多的亞聲速流，可以認(rèn)為此時沖壓通道剛好處于臨界起動狀態(tài)。

在渦輪通道關(guān)閉60%時，唇口截面前出現(xiàn)溢流脫體激波，沖壓通道進(jìn)入不起動狀態(tài)，隨著渦輪通道逐漸關(guān)閉，溢流激波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，從圖4(h)-圖4(j)可以看出渦輪通道關(guān)閉80%到全關(guān)的流場圖類似，此時的三道斜激波馬赫數(shù)較大。

反向模態(tài)轉(zhuǎn)換，分流板圍繞后邊的軸點順時針旋轉(zhuǎn),渦輪通道關(guān)閉90%到渦輪通道關(guān)閉10%時的等馬赫圖如圖5所示，沖壓通道在整個過程均處于不起動，在渦輪通道關(guān)閉90%到渦輪通道關(guān)閉60%，唇口處有溢流激波，隨著渦輪通道逐漸打開，溢流激波強(qiáng)度逐漸變?nèi)醪⒅饾u靠近唇口截面,第三道斜激波的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，沖壓通道下壁面的邊界層逐漸變薄，在此過程中沖壓通道內(nèi)都產(chǎn)生的都是亞聲速流。渦輪通道全開時，如圖5(j),沖壓通道起動。

圖4 正向模態(tài)轉(zhuǎn)換渦輪通道不同開度等馬赫圖

圖5 反向模態(tài)轉(zhuǎn)換渦輪通道不同開度等馬赫圖

2.3 模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為50 ms時進(jìn)氣道流場分析

模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為50 ms時，渦輪通道關(guān)閉10%到渦輪通道全關(guān)閉的等馬赫線圖如圖6所示，渦輪通道關(guān)閉10%到60%，沖壓通道起動，隨著分流板向下轉(zhuǎn)動，沖壓通道內(nèi)反射波消失，馬赫數(shù)逐漸減小，分流板產(chǎn)生的斜激波的強(qiáng)度逐漸增大，從圖6(a)-圖6(c)可以看出：渦輪通道關(guān)閉10%到30%的流場圖相似，在渦輪通道關(guān)閉40%時，沖壓通道內(nèi)開始產(chǎn)生亞聲速流，此時的沖壓通道內(nèi)既有超聲速流也有亞聲速流，渦輪通道關(guān)閉50%時的流場圖與模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms時，渦輪通道關(guān)閉40%時的流場圖相似，當(dāng)渦輪通道關(guān)閉60%時，唇口激波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，沖壓通道內(nèi)產(chǎn)生較多的亞聲速流，可以認(rèn)為沖壓通道剛好處于臨界起動狀態(tài)。

在渦輪通道關(guān)閉70%時，唇口截面前出現(xiàn)溢流脫體激波，沖壓通道進(jìn)入不起動狀態(tài)，隨著渦輪通道逐漸關(guān)閉，溢流激波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，從圖6(h)-圖6(j)可以看出：渦輪通道關(guān)閉80%到全關(guān)的流場圖類似，此時的三道斜激波馬赫數(shù)較大。與模態(tài)轉(zhuǎn)換時間100 ms相比，進(jìn)氣道由起動狀態(tài)變成不起動狀態(tài)時渦輪通道處于的關(guān)閉狀態(tài)百分比延遲，并且在渦輪通道關(guān)閉相同百分比時，渦輪通道的激波位置更靠后。

模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為50 ms時，渦輪通道關(guān)閉90%到渦輪通道全開時的等馬赫圖如圖7所示，沖壓通道在整個過程均處于不起動，在渦輪通道關(guān)閉90%到渦輪通道關(guān)閉40%，唇口處有溢流激波，隨著渦輪通道逐漸打開，溢流激波強(qiáng)度逐漸變?nèi)醪⒅饾u靠近唇口截面,第三道斜激波的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，沖壓通道下壁面的邊界層逐漸變薄，在此過程中沖壓通道內(nèi)都產(chǎn)生的都是亞聲速流。

2.4 模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為1 s時進(jìn)氣道流場分析

模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為1 s時，外并聯(lián)TBCC進(jìn)氣道進(jìn)行正向模態(tài)轉(zhuǎn)換，渦輪通道關(guān)閉10%到渦輪通道全關(guān)的等馬赫線圖如圖8所示，渦輪通道關(guān)閉10%到30%，沖壓通道起動，隨著分流板向下轉(zhuǎn)動，沖壓通道內(nèi)反射波消失，馬赫數(shù)逐漸減小，分流板產(chǎn)生的斜激波的強(qiáng)度逐漸增大，在渦輪通道關(guān)閉30%時，沖壓通道內(nèi)開始產(chǎn)生亞聲速流，此時的沖壓通道內(nèi)既有超聲速流也有亞聲速流。

在渦輪通道關(guān)閉40%時，唇口截面前出現(xiàn)溢流脫體激波，沖壓通道進(jìn)入由起動狀態(tài)變成不起動狀態(tài)，隨著渦輪通道逐漸關(guān)閉，溢流激波強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，沖壓通道下壁面附面層逐漸增多，從圖8(h)-圖8(j)可以看出：渦輪通道關(guān)閉70%到全關(guān)的流場圖類似，此時的三道斜激波馬赫數(shù)較大。與模態(tài)轉(zhuǎn)換時間100 ms相比，進(jìn)氣道由起動狀態(tài)變成不起動狀態(tài)時渦輪通道處于的關(guān)閉狀態(tài)百分比提前，且沒有臨界起動狀態(tài)，并且在渦輪通道關(guān)閉相同百分比時，渦輪通道的激波位置更靠前。

模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為1 s時，外并聯(lián)TBCC進(jìn)氣道進(jìn)行反向模態(tài)轉(zhuǎn)換,渦輪通道關(guān)閉90%到渦輪通道全關(guān)的等馬赫圖如圖9所示，在渦輪通道關(guān)閉90%到80%，沖壓通道在整個過程均處于不起動，在渦輪通道關(guān)閉90%到渦輪通道關(guān)閉60%，唇口處有溢流激波，隨著渦輪通道逐漸打開，溢流激波強(qiáng)度逐漸變?nèi)醪⒅饾u靠近唇口截面,第三道斜激波的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，沖壓通道下壁面的邊界層逐漸變薄，在此過程中沖壓通道內(nèi)都產(chǎn)生的都是亞聲速流。在渦輪通道關(guān)閉10%時，在唇口處產(chǎn)生斜激波，進(jìn)氣道由不起動變?yōu)槠饎?，與模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms相比，進(jìn)氣道由不起動狀態(tài)變起動狀態(tài)的渦輪通道關(guān)閉百分比提前，且在渦輪通道關(guān)閉相同百分比時，渦輪通道的激波位置更靠后。

圖6 正向模態(tài)轉(zhuǎn)換不同開度等馬赫線圖

圖7 反向模態(tài)轉(zhuǎn)換渦輪通道不同開度等馬赫圖

圖9 反向模態(tài)轉(zhuǎn)換渦輪通道不同開度等馬赫圖

2.5 模態(tài)轉(zhuǎn)換時間對進(jìn)氣道性能參數(shù)的影響

不同模態(tài)轉(zhuǎn)換時間下的沖壓通道的出口總壓恢復(fù)、流量系數(shù)以及出口馬赫數(shù)如圖10所示，正向模態(tài)轉(zhuǎn)換渦輪通道全關(guān)到渦輪通道關(guān)閉60%，此過程模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為50 ms時，沖壓通道起動；渦輪通道全關(guān)到渦輪通道關(guān)閉50%，此過程模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms時，沖壓通道起動；渦輪通道全關(guān)到渦輪通道關(guān)閉30%，此過程模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為1s時，沖壓通道處于起動狀態(tài)這個過程內(nèi)，隨著渦輪通道逐漸關(guān)閉，沖壓通道的出口總壓恢復(fù)略有升高流量系數(shù)逐漸增大出口馬赫數(shù)逐漸降低，并且模態(tài)轉(zhuǎn)換時間越長，出口總壓恢復(fù)越小而流量系數(shù)越大。在渦輪通道進(jìn)一步關(guān)閉到30%,50%以及60%時，三個不同模態(tài)轉(zhuǎn)換時間的沖壓通道流量系數(shù)、總壓恢復(fù)分別發(fā)生突降，沖壓通道由起動變?yōu)椴黄饎樱⑶译S著渦輪通道進(jìn)一步關(guān)閉，不起動狀態(tài)加劇，沖壓通道出口總壓恢復(fù)和流量系數(shù)進(jìn)一步減小。

反向模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為50 ms時渦輪通道由全閉到全開時，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms時渦輪通道由全閉到關(guān)閉10%，模態(tài)轉(zhuǎn)換為1s時渦輪通道由全閉到關(guān)閉20%，總壓恢復(fù)和流量系數(shù)均處于較低水平，沖壓通道處于不起動狀態(tài)。模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms時，渦輪通道關(guān)閉10%到渦輪通道全開以及模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為1 s時渦輪通道關(guān)閉20%到渦輪通道全開，沖壓通道由不起動變?yōu)槠饎?，在此過程內(nèi)，出口總壓恢復(fù)和出口馬赫數(shù)明顯增大，沖壓通道處于不起動時出口馬赫數(shù)變化不大,在1.11到1.13范圍內(nèi)變化。

由以上分析看出：對于正向模態(tài)轉(zhuǎn)換，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間越短，沖壓通道由起動變不起動狀態(tài)時的渦輪通道關(guān)閉越多，沖壓通道越不容易從起動變不起動；而反向模態(tài)轉(zhuǎn)換正好相反，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間越長，沖壓通道越容易從不起動變起動。

圖10 模態(tài)轉(zhuǎn)換過程性能參數(shù)變化

3 結(jié)論

1) 正向模態(tài)轉(zhuǎn)換模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為50 ms時在渦輪通道關(guān)閉70%，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為100 ms時在渦輪通道關(guān)閉60%，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為1s時在渦輪通道關(guān)閉40%，沖壓通道由起動變?yōu)椴黄饎?，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間越短，沖壓通道處于不起動狀態(tài)的范圍越小。

2) 反向模態(tài)轉(zhuǎn)換過程，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間為50 ms時，整個過程均處于不起動狀態(tài)；模態(tài)轉(zhuǎn)換為100 ms時，在渦輪通道關(guān)閉10%時，沖壓通道由不起動變起動；模態(tài)轉(zhuǎn)換為1 s時，在渦輪通道關(guān)閉20%時，沖壓通道由不起動變起動，模態(tài)轉(zhuǎn)換時間越長，沖壓通道處于起動狀態(tài)的范圍越大。