高空艙發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道收縮曲線的仿真分析

竇立楊

摘 要：通過CFD模擬高空艙不同形式發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的氣流流場，分析了不同收縮曲線下寫上哪幾種收縮曲線，流場的速度不均勻性、總壓波動量、邊界層厚度。模擬結(jié)果顯示，同樣進(jìn)出口條件下，雙三曲線形式的收縮段，邊界層厚度最低，試驗(yàn)段核心氣流更均勻，為高空艙收縮段選型提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：收縮段;收縮曲線;邊界層;速度不均勻性;總壓波動量

0引言

良好的氣流品質(zhì)對于高空艙模擬試驗(yàn)十分重要。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道是高空艙的重要部件，它的主要作用是不僅使來自前室的氣流均勻加速，而且能提高試驗(yàn)段的氣流品質(zhì)，即改善流場的均勻性、穩(wěn)定性，降低湍流度。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道設(shè)性能的優(yōu)劣主要取決于兩個(gè)因素：一是收縮比，二是收縮曲線。高空艙在流量測量段進(jìn)行流量測量，進(jìn)行調(diào)試時(shí)需對進(jìn)氣道的附面層進(jìn)行測量、修正，再進(jìn)行流量的標(biāo)定。因此，邊界層厚度也是發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道形式選擇的必要考慮因素之一。

本文在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的進(jìn)出口徑、長度、收縮比一定的情況下，通過仿真實(shí)驗(yàn)對比分析了四種收縮曲線的邊界層厚度、速度不均勻度、總壓波動量。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雙三曲線形式的收縮段，邊界層厚度最低，試驗(yàn)段核心氣流更均勻，這一結(jié)論可以為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1收縮曲線選型

目前高空艙發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道型式主要有維氏曲線、雙三曲線、五次曲線以及雙扭曲線，分別可表示為：

（1）維辛斯基曲線

公式如下：

式中： Hi為收縮段進(jìn)口截面半徑，H0為出口截面半徑，h為軸向距離為x處的截面高度，a = ? ? ? ? ? ，L為收縮段長度。

（2）雙三次曲線

公式如下：

（3）五次方曲線

公式如下：

其中，η=-10ε3+15ε4-6ε5，ε=x/L。公式（1）-（3）中 Hi表示收縮段進(jìn)口截面半徑，H0為出口截面半徑，h為軸向距離為x處的截面高度，a = √3L，L為收縮段長度。

雙扭線型面

公式如下：

（x2+y2 ）2=a2 （x2-y2 ）

ρ2=a2 ?cos2θ

2幾何模型

以維辛斯基、雙三次和五次曲線為氣動輪廓，建立收縮段二維模型，收縮段入口直徑R為9.5m，出口直徑r為民機(jī)流量管直徑3.4m，總長L=24m;收縮曲線前長度為3.9m，為最后整流網(wǎng)距收縮曲線的距離;收縮曲線軸線長度6.5m。為簡化模型，取1/4二維模型，做軸對稱設(shè)置，如下圖所示。

3數(shù)值模擬計(jì)算

3.1控制方程

本文所研究收縮段最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為100m/s，不考慮氣體壓縮性。

質(zhì)量守恒方程為

式中，ρ是流體密度，t是時(shí)間，u，v，w是速度矢量在x，y，z方向的分量。

動量守恒方程表示如下

式中， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，ˉu是速度矢量，u是速度矢量ˉu在x方向的分量，τxx和τyx是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性盈利分量，F(xiàn)x是微元體上的體力。本文需要就邊界層厚度進(jìn)行對比論述收縮段型式的優(yōu)劣，因此我們利用低雷諾數(shù)模型進(jìn)行模擬。綜合考慮，本文中的模擬計(jì)算選用SST計(jì)算模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此模型y+≤2時(shí)計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.2計(jì)算域及邊界條件

計(jì)算域以高空艙穩(wěn)定段出口為入口條件，收縮段出口下游13.6m處為出口條件。由于所計(jì)算區(qū)域具有軸對稱屬性，同時(shí)也為了減少網(wǎng)格數(shù)，節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，選取1/4二維模型進(jìn)行流場模擬。

3.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是在ICEM中進(jìn)行的。為了保證更好的網(wǎng)格質(zhì)量，以及更方便控制壁面第一層網(wǎng)格高度，采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方式。

第一層壁面網(wǎng)格高度為0.1mm時(shí)，Y+接近1。各模型的Y+如下表所示。

4 結(jié)論

選取四種收縮曲線形式，進(jìn)行了收縮段的數(shù)值模擬工作，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了一下結(jié)論：

（1）雙扭曲線形式收縮段出口下游邊界層厚度最小，但是出口氣流的速度均勻性及穩(wěn)定性方面的性能最差;

（2）維辛斯基曲線形式收縮段的出口氣流速度均勻性及穩(wěn)定性均不及雙三曲線及五次曲線;

（3）雙三曲線及五次曲線形式收縮段，無論在出口氣流均勻性及穩(wěn)定性方面，還是在出口下游邊界層厚度方面，性能都最優(yōu)，也最接近;

因此，綜合來看，五次曲線和雙三曲線作為高空艙收縮段的收縮曲線最為想。