飛機發(fā)動機室內(nèi)開車尾氣排放引射噴淋降溫仿真分析

李冬梅，任戰(zhàn)鵬，馬建軍

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

航空發(fā)動機作為飛機的核心動力源，其性能優(yōu)劣直接影響著飛機的使用安全。其中，外界自然環(huán)境對發(fā)動機的工作狀態(tài)影響非常明顯，在高寒、濕熱、風(fēng)吹雨/雪、沙塵等極端氣候條件下工作時，會出現(xiàn)不能正常啟動、進氣道結(jié)冰、突然停車、葉片磨損、進氣通道堵塞等故障，嚴(yán)重影響其正常運行，甚至危害飛行安全。為此需要對飛機發(fā)動機的氣候環(huán)境適應(yīng)性進行研究和驗證。

發(fā)動機面臨的典型氣候環(huán)境有高溫、低溫、濕熱、降雨、結(jié)冰等，要求在這些氣候條件下發(fā)動機必須能正常啟動，持續(xù)正常地運行，并與其他系統(tǒng)協(xié)同工作。另外飛機在較低溫度下存放后的深冷啟動、多次重復(fù)啟動也是考核發(fā)動機性能的一項重要指標(biāo)。

通常，發(fā)動機制造商在發(fā)動機研制過程中會開展大量的環(huán)境試驗，考核發(fā)動機在遭遇惡劣氣候環(huán)境時的功能性能及其可靠性。由于發(fā)動機臺架試驗是依靠地面供電系統(tǒng)、供油系統(tǒng)對其進行供電和供油，發(fā)動機本身不帶載荷，不能充分評估發(fā)動機裝機狀態(tài)下完整的系統(tǒng)性能，存在一定局限性。因此有必要針對發(fā)動機裝機狀態(tài)進行極端氣候條件下的功能性能測試，進而也能更為全面地評價飛機對極端氣候條件的適應(yīng)能力。

美國、韓國等國家早已實現(xiàn)在實驗室中模擬各種氣候環(huán)境因素對發(fā)動機性能指標(biāo)進行驗證（如圖1 所示），使其掌握了大量的發(fā)動機受環(huán)境因素影響的實驗數(shù)據(jù)，為飛機的優(yōu)化設(shè)計以及安全飛行等提供了有利依據(jù)。我國自主設(shè)計建設(shè)的能夠模擬多種自然環(huán)境的飛機氣候?qū)嶒炇覍⑷嫱度胧褂?，但發(fā)動機開車實驗環(huán)境如何實現(xiàn)還有待進一步研究。發(fā)動機開車高溫尾氣如何順利安全排除實驗室，便是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 發(fā)動機尾氣排放系統(tǒng)在韓國ADD 環(huán)境室內(nèi)的布置Fig.1 Layout of the engine exhaust system in the ADD environment room in South Korea

飛機在實驗室內(nèi)進行整機平臺地面開車試驗時，發(fā)動機進氣道將吸入周圍足夠量的空氣和燃燒室內(nèi)的燃油混合并燃燒，產(chǎn)生推力。同時被消耗的空氣經(jīng)過燃燒后會變成高溫高噪音多油的有害氣體，溫度一般在600 ℃左右。渦輪噴氣發(fā)動機在加力工作時，尾氣溫度甚至可達1200 ℃。如果不及時排出，將會對試驗環(huán)境場、試驗件造成損壞，甚至嚴(yán)重威脅到實驗室工作人員的生命安全。因此，有必要對發(fā)動機開車高溫尾氣排放進行合理的引流降溫設(shè)計，保證試驗安全有效地進行。

1 發(fā)動機開車尾氣排放系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計發(fā)動機開車尾氣排放系統(tǒng)的主要目的：降低尾氣排放溫度，減少尾氣排放對試驗環(huán)境狀態(tài)的影響，維持發(fā)動機開車試驗的安全進行；降低排氣噪聲，保證排放到環(huán)境室外的廢氣滿足場界噪聲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該系統(tǒng)主要包含兩部分功能：發(fā)動機開車尾氣的引流降溫和尾氣的降噪處理。

1.1 性能設(shè)計要求

氣候?qū)嶒炇覂?nèi)飛機發(fā)動機開車尾氣排放需滿足下述要求：1）密閉的進排氣結(jié)構(gòu)氣動性能優(yōu)良、 排氣阻力合適；2）噪聲排放指標(biāo)滿足國家和地方標(biāo)準(zhǔn)；3）排氣出口溫度合適；4）室內(nèi)氣流速度不會過大、發(fā)動機推力測量所受影響不大；5）適應(yīng)不同的機型。

1.2 參數(shù)設(shè)計要求

為了降低發(fā)動機開車尾氣對室外環(huán)境的影響，發(fā)動機尾氣排放系統(tǒng)的參數(shù)應(yīng)滿足：廢氣排放量≤200 kg/s；實驗室場界噪音≤75 dB(A)；排放通道出口溫度不高于150 ℃。

1.3 尾氣排放系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機開車尾氣排放系統(tǒng)如圖2 所示。飛機氣候試驗要求在純密閉環(huán)境室內(nèi)進行，故以通道的形式將發(fā)動機開車尾氣引出環(huán)境室。排氣通道主要由三部分組成：初始調(diào)整段——該段是用來根據(jù)發(fā)動機大小，調(diào)整引流管道入口處尺寸；引流管道——利用該段將尾氣引流至排放塔，并實施對高溫尾氣的一次降溫；尾氣排放塔——其中設(shè)置有降溫、降噪裝置，對尾氣進行再次降溫和吸聲處理后，排出實驗室外。

圖2 發(fā)動機尾氣排放系統(tǒng)Fig.2 Engine exhaust system

在發(fā)動機開車試驗前，根據(jù)受試飛機發(fā)動機的大小以及試驗工況，選擇合適的尾氣排放系統(tǒng)的初始調(diào)整段，將發(fā)動機尾噴管與尾氣排放管道“對接”。試驗過程中，高溫尾氣經(jīng)過初始調(diào)整段和引流管道進入尾氣排放塔。其中，引流管道及尾氣排放塔中都布置有降溫裝置，對尾氣實施降溫，保證廢氣排放塔出口溫度滿足環(huán)保要求。同時在排放塔出口處還安裝有消聲裝置，對開車尾氣進行降噪處理，以滿足實驗室場界噪音要求。

1.3.1 引流管道及其降溫設(shè)計

引流管道用于調(diào)整發(fā)動機尾噴管到尾氣排放塔之間的連通，將尾氣引流至排放塔。此段溫度較高，如果不進行降溫處理，將會成為環(huán)境室內(nèi)一個熱負(fù)荷，對試驗環(huán)境場產(chǎn)生影響，且給實驗室?guī)戆踩[患。管道直徑為3 m，內(nèi)部沿管壁設(shè)置噴水環(huán)，利用水蒸發(fā)的潛熱，將尾氣初步降溫至100～150 ℃，并防止尾氣殘留燃料在排氣管道中產(chǎn)生爆震。

如圖3 所示，引流管道分為活動段和固定段。活動段布置在環(huán)境室內(nèi)，根據(jù)試驗對象可進行更換。固定段布置在保溫艙內(nèi)，用于連接尾氣排放塔。固定段內(nèi)部設(shè)置隔離門，隔離門在艙室溫度調(diào)節(jié)階段處于關(guān)閉狀態(tài)，減小環(huán)境室向外的熱量損失。在發(fā)動機需要開啟進行試驗時，打開隔離門，使得排氣系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。固定段末端為開孔段，發(fā)動機排氣通過開孔段的小孔進入排氣塔，排出室外。開孔段開孔率在15%～30%之間，通過調(diào)節(jié)開孔段末端的排氣調(diào)節(jié)機構(gòu)來調(diào)節(jié)排氣筒的通流面積，從而使其可以適應(yīng)不同試驗對象的試驗需求。

圖3 引流管道Fig.3 Drain pipe

在引流管道固定段周向設(shè)置噴淋系統(tǒng)，對開車尾氣進行一次降溫處理。發(fā)動機工作時，打開系統(tǒng)閥門，向排氣筒開孔排氣區(qū)域噴水。噴入水霧一方面溫度較低，可以帶走高溫排氣的熱量；另一方面水霧發(fā)生相變的過程中可以吸收大量的廢氣預(yù)熱，高溫尾氣溫度大大降低，最終可以降低到排氣塔及消音裝置可以承受的溫度范圍內(nèi)。系統(tǒng)包括4 組噴頭，每組可布置4個噴嘴，噴嘴方向指向排氣方向。根據(jù)尾氣排放量的不同調(diào)節(jié)噴嘴噴水量，總的最大噴水量為25 kg/s。

2 仿真分析

2.1 模型建立

依據(jù)引流管道建立的圓柱仿真模型如圖4 所示。直徑（3 m）與引流管道相同，一端為進口，一端為出口，在距離進口一端布置噴水環(huán)。由于在計算過程中存在多種噴射方式，考慮到噴霧液滴的蒸發(fā)距離，圓柱模型的總長度分別設(shè)置為 6.5、10、12 m。在對模型進行ICEM 劃分網(wǎng)格時，考慮到計算時間及計算效果，模型的網(wǎng)格數(shù)量在100 萬～150 萬之間。

圖4 圓柱模型Fig.4 Cylindrical model

2.2 計算邊界條件

2.2.1 連續(xù)項設(shè)置

連續(xù)相設(shè)置主要是計算一些基本設(shè)置，包括以下幾個方面：開啟能量項；采用κ-ε 可視化標(biāo)準(zhǔn)湍流方程；基于壓力計算（Pressure-based）；計算方法采用壓力-速度耦合計算，SIMPLEC 二階迎風(fēng)格式。監(jiān)控計算域內(nèi)的離散相及出口質(zhì)量平均溫度，當(dāng)這兩項達到平衡時，即為計算結(jié)束。

2.2.2 空氣物性參數(shù)設(shè)置

假設(shè)空氣的進口質(zhì)量流量為200 kg/s，溫度為480 ℃，要求經(jīng)過噴水冷卻過程之后，出口溫度為150 ℃。由于空氣的進出口溫差很大，達到330 ℃，故在FLUENT 計算過程中，空氣的物性不能都使用軟件自帶的常數(shù)物性。對空氣和水滴之間傳熱影響較大的導(dǎo)熱率、動力黏度、定壓比熱等，需要查在溫度變化區(qū)間的屬性變化，擬合出關(guān)于溫度變化的物性參數(shù)多項式，輸入FLUENT 進行計算。

導(dǎo)熱率（W/(m·K)）：

動力黏度（Pa·s）：

定壓比熱（J/(kg·K)）：

2.2.3 空氣進出口條件設(shè)置

空氣進口采用質(zhì)量入口邊界條件：質(zhì)量流量為200 kg/s，湍流度為2.3，水力直徑為3 m，入口溫度為875 K。排氣出口采用壓力出口，出口處的壓力設(shè)置為大氣壓，出口溫度設(shè)置為453 K。

2.2.4 噴射水總流量

采用簡單的焓平衡方法進行噴水量計算，假定液霧和空氣摻混均勻，換熱充分，完全汽化，忽略冷量損失。

其中： m˙L×H為噴射水的氣化潛熱；×CpL(100-TL)為噴射水溫度變化的換熱量；×Cpq(Tin-Tout)為空氣溫度變化的換熱量.

2.2.5 噴射水的物性

在模型計算過程中，噴射水的初始溫度為293 K，F(xiàn)LUENT 默認(rèn)水的蒸發(fā)溫度為284 K，沸騰溫度為373 K。噴射水的溫度變化范圍較大，水在該溫度范圍內(nèi)表面張力和動力黏度變化較大，且表面張力和動力黏度對噴射水的霧化情況有直接影響，進而影響到換熱效果。故噴射水的這兩項物性不能采用FLUENT的默認(rèn)常數(shù)，仍需查出溫度變化區(qū)間的物性，擬合出溫度的物性參數(shù)計算公式。

動力黏度（Pa·s）：

表面張力（N/m）：

3 計算結(jié)果

利用DPM 模型進行噴霧計算，每50 步噴射一次粒子，采用非穩(wěn)態(tài)顆粒計算模型。考慮顆粒碰撞破碎，采用WAVE 波動模型，曳力定律采用Dynamic-drag。顆粒模型采用Droplet 模型，霧化模型采用Plainorifice-atomizer（平口霧化模型），每次噴射粒子數(shù)為4 個，噴射材質(zhì)為Water-liquid，蒸發(fā)項為H2O。

針對模型進行了包括順噴、逆噴、16 個噴射點、36 個噴射點等多次不同噴射方式的計算。每次噴射粒子為4 個，總噴射水流量為25 kg/s，噴射水的初始溫度為285 K。

模型1：設(shè)置16 個噴射點，與中軸線夾角為45°，逆噴，噴射點距入口4 m，噴嘴直徑為6.91 mm，每個噴射點的流量為1.34 kg/s，噴嘴長度為 25 mm。

由圖5 可見，粒子在離開噴出孔后，首先向進口移動一段距離，之后發(fā)生碰撞。然后粒子隨來流空氣向出口方向移動，最終從出口逸出。粒子直徑較大，分布在4.39×10-5～0.0336 m 之間，換熱不夠充分，在計算區(qū)域內(nèi)水滴不能完全蒸發(fā)。中軸線附近溫度較低，沿徑向溫度逐漸升高，換熱效果逐漸變差。在圓柱的中心區(qū)域溫度較低，壁面溫度為753 K，仍為高溫空氣，整個出口截面的平均溫度為660 K。

模型2：設(shè)置36 個噴射點，與中軸線夾角為30°，逆噴，此時每個噴射點水流量為0.694 kg/s，每個噴孔直徑為4.975 mm，噴嘴長度為18 mm。圖6 顯示，粒子在離開噴出孔后，沒有發(fā)生碰撞，在碰撞之前便隨來流空氣向出口方向移動，最終從出口逸出。粒子直徑分布在2.17×10-5～0.0044 m 之間。在采用更小的逆噴角度和更多的噴射點之后，出口截面的溫度分布有所改善，其質(zhì)量平均溫度降低至628 K，但是仍不能滿足溫度要求。由此可以看出，增加噴射點后，增強了霧化效果，進而使水滴與空氣之間的換熱更加充分。

圖5 模型1 粒子與出口截面溫度分布Fig.5 Particle and temperature distribution of outlet cross section in model 1

圖6 模型2 粒子與出口截面溫度分布Fig.6 Particle and temperature distribution of outlet cross section in model 2

模型3：設(shè)置36 個噴射點，噴射方向為逆噴，即對著來流氣體噴射，與中軸線夾角為30°，噴射點距離入口4 m，每個噴射點水流量為0.694 kg/s，噴射孔徑為1 mm，噴嘴長度為2 mm。由圖7 可以看出，噴射粒子與來流空氣產(chǎn)生碰撞，粒子與空氣之間的相對速度較大，霧化效果良好，水滴直徑分布在4.7×10-7～5.4×10-4m 之間。粒子幾乎充滿整個圓柱截面，換熱十分充分，出口截面質(zhì)量平均溫度下降迅速。溫度分布由中心到壁面逐漸上升，中心處溫度最低約為399 K，而壁面處溫度最高約為501 K。這是由于噴射點設(shè)置在壁面上，而壁面處由于液滴尺寸大，其換熱效果不是很好，反而在噴出一段距離后，液滴發(fā)生破碎，液滴的數(shù)量增加，而直徑變小，換熱更加充分，溫度降低更為明顯。綜合出口截面的溫度質(zhì)量平均，在該計算條件及模型下，出口處質(zhì)量平均溫度可降到453 K。

圖7 模型3 粒子與出口截面溫度分布Fig.7 Particle and temperature distribution of outlet cross section in model 3

4 結(jié)論

計算過程中，對圓柱模型進行了不同噴射條件的嘗試計算，得出如下結(jié)論。

1）影響發(fā)動機開車排氣出口溫度的主要因素是噴淋的霧化效果。霧化效果越好，水滴與高溫空氣之間的換熱就越充分，水滴能夠及時地完全蒸發(fā)，使高溫空氣降溫迅速。

2）供水壓力相同的情況下，增加噴射點個數(shù)、減小噴孔直徑，均有利于噴射水滴的霧化。

3）對比45°逆噴和30°逆噴發(fā)現(xiàn)，30°逆噴的霧化效果更好，換熱更加充分。說明逆噴噴射角度越小，氣液速度差越大，越有利于水滴的霧化，有利于水滴和高溫空氣之間的換熱。

最終探索出一種能夠滿足發(fā)動機開車排氣出口溫度分布以及系統(tǒng)壓降的噴琳方式：將噴水環(huán)布置在圓柱通道與方形通道連接處，采用30°逆噴方式，噴孔直徑為1 mm。在此噴射條件下，出口截面的溫度分布可達到要求，穩(wěn)定在 453 K 以下，進出口壓降為 1.4kPa，滿足設(shè)計要求。該計算結(jié)果也可直接應(yīng)用于尾氣排放塔二次噴淋降溫噴水環(huán)的設(shè)計。