側(cè)風(fēng)條件下短艙進(jìn)氣道地面渦數(shù)值模擬

任丁丁 王俊琦 楊柳 劉雨

摘要：通過數(shù)值模擬方法，對側(cè)風(fēng)條件下短艙進(jìn)氣道地面渦的形成及發(fā)展情況進(jìn)行了研究。通過改變側(cè)風(fēng)風(fēng)速的大小，分析了側(cè)風(fēng)風(fēng)速大小對地面渦形成的影響及其對進(jìn)氣道出口截面流場的影響。結(jié)果表明，側(cè)風(fēng)條件下，短艙進(jìn)氣道易形成地面渦，且伴隨有尾渦的出現(xiàn)；隨著風(fēng)速大小的增加，地面渦的強(qiáng)度先增大后減小，地面渦的位置、結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化；所形成的地面渦強(qiáng)度越大，其對進(jìn)氣道出口截面流場的影響就越大，但由于地面渦在進(jìn)氣道內(nèi)的發(fā)展，地面渦對進(jìn)氣道出口截面流場的影響相對較小。

關(guān)鍵詞：短艙；進(jìn)氣道；側(cè)風(fēng)；地面渦；數(shù)值模擬

中圖分類號：V231.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.007

自航空發(fā)動機(jī)問世以來，航空發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性就是人們關(guān)注的焦點。而由進(jìn)氣畸變所帶來的發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性問題及其評估方法是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點，近些年來，旋流畸變受到了越來越多的關(guān)注。

地面渦是旋流畸變的一種形式，是飛機(jī)在滑行或靜止?fàn)顟B(tài)下，進(jìn)氣道入口的氣流與地面或靠近發(fā)動機(jī)唇口的機(jī)體相互作用而在發(fā)動機(jī)內(nèi)流道形成的旋流渦。地面渦對發(fā)動機(jī)的影響主要體現(xiàn)在：在發(fā)動機(jī)進(jìn)口形成旋流畸變，改變風(fēng)扇局部區(qū)域的氣流角，可能造成發(fā)動機(jī)風(fēng)扇失速、喘振等不穩(wěn)定現(xiàn)象；地面渦產(chǎn)生的強(qiáng)大吸附作用會將地面上的沙石、異物等吸入發(fā)動機(jī)，可能帶來結(jié)構(gòu)上的損傷，威脅飛行安全。

國內(nèi)外學(xué)者針對地面渦的形成條件、影響地面渦強(qiáng)度的因素，以及地面渦對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性的影響做了許多試驗及數(shù)值模擬研究。Klein[1]最早提出了地面渦的形成條件。Motycka和Walter[2-4]采用風(fēng)洞試驗的手段研究了高度比、風(fēng)向、風(fēng)速對地面渦駐點的影響規(guī)律，Murphy[5]針對縮比模型采用粒子圖像測速法（particle image velocimetry，PIV）技術(shù)對地面靜止及地面移動情況下不同逆風(fēng)風(fēng)速條件下地面渦的強(qiáng)度及特征進(jìn)行了研究，國內(nèi)學(xué)者趙光敏[6]、馬申義[7]等也通過試驗手段對地面渦的形成機(jī)理及流動特性進(jìn)行了研究。針對地面渦的數(shù)值模擬研究，Yadlin[8]通過數(shù)值模擬研究了順風(fēng)及逆風(fēng)條件下的地面渦的強(qiáng)度，李超東[9]、劉浩[10]、王成[11]對影響地面渦的因素進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了來流條件、短艙距地面高度及風(fēng)扇葉片的存在對地面渦的影響規(guī)律。

本文以裝機(jī)狀態(tài)下的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)短艙進(jìn)氣道模型為研究對象，研究了側(cè)風(fēng)條件下地面渦的形成以及風(fēng)速大小對地面渦的強(qiáng)度及其對發(fā)動機(jī)進(jìn)口流場的影響規(guī)律，可對后續(xù)開展的地面渦模擬試驗提供參考，并能夠了解真實飛機(jī)側(cè)風(fēng)條件下的安全隱患，從而對降低飛機(jī)的安全隱患、提高飛機(jī)在實際執(zhí)行任務(wù)過程中的安全性具有現(xiàn)實意義。

1計算模型說明

1.1模型建立

該型發(fā)動機(jī)采用翼吊式安裝形式，在建立計算模型時，由于計算過程中不考慮噴管噴出的尾噴流對進(jìn)氣的影響，所以對噴管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，根據(jù)短艙出口的幾何形狀，短艙后端采用一個出口面來代替尾噴管。

進(jìn)氣道出口直徑為De，進(jìn)氣道長度為Li，進(jìn)氣道進(jìn)口前緣直徑約為Dl，在裝機(jī)條件下，唇口前緣下部距離地面高度為h，發(fā)動機(jī)短艙模型及裝機(jī)狀態(tài)各尺寸示意圖如圖1所示。

1.2網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了減小計算量，僅對單獨的短艙流場進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值仿真時短艙離地高度和裝機(jī)環(huán)境下一致，計算域尺寸為30Dl×30Dl×15Dl。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，為了更好地捕獲地面渦，在短艙進(jìn)氣道壁面附近、進(jìn)氣道唇口下方區(qū)域以及進(jìn)氣道下方地面上對網(wǎng)格進(jìn)行了加密，地面第一層網(wǎng)格高度為0.05mm，進(jìn)氣道壁面第一層網(wǎng)格高度為0.03mm，如圖2所示。

采用ICEM軟件分別生成了網(wǎng)格總數(shù)為300萬、500萬、700萬和900萬的網(wǎng)格。對不同網(wǎng)格計算結(jié)果相同高度截面的地面渦環(huán)量（由于地面為無滑移邊界條件，渦量為零，因此在對地面渦流場渦量進(jìn)行分析時，需要創(chuàng)建一個新平面，這里選擇離地高度為1m的平面作為渦量分析平面）進(jìn)行了比較，如圖3所示。可以看出，300萬和500萬網(wǎng)格計算的地面渦環(huán)量絕對值偏小，700萬和900萬網(wǎng)格計算的環(huán)量結(jié)果接近，為準(zhǔn)確起見，后續(xù)計算均采用900萬網(wǎng)格進(jìn)行。

1.3邊界條件設(shè)定

計算域外部邊界除地面外的其他面，因為距離短艙足夠遠(yuǎn)，將其設(shè)置為遠(yuǎn)場邊界條件，并給定來流速度。而為了準(zhǔn)確模擬地面邊界層，需將地面設(shè)置為無滑移壁面。因為沒有加上發(fā)動機(jī)，所以在進(jìn)氣道出口設(shè)置壓力邊界條件代表發(fā)動機(jī)對氣流的抽吸作用，選擇最大流量下的靜壓作為出口邊界條件。由于不考慮噴管對進(jìn)氣的影響，所以不需要給出實際的噴管進(jìn)口氣流速度，只需給一個小速度以使噴管后方不產(chǎn)生大的旋渦即可，此處給定與來流相同的速度。短艙壁面為無滑移壁面邊界條件。邊界條件設(shè)置如圖4所示。計算采用密度基求解器，穩(wěn)態(tài)計算，對通量采用Roe-FDS格式，控制方程離散采用二階迎風(fēng)格式。湍流模型采用SST k-ω模型，計算工質(zhì)為理想氣體。

2數(shù)據(jù)處理方法

（1）環(huán)量

環(huán)量是速度矢量在積分路徑方向的分量沿該路徑的線積分，即：

對地面渦環(huán)量進(jìn)行無量綱化，可得到無量綱環(huán)量Γ*表達(dá)式為：

3結(jié)果分析

3.1地面渦結(jié)構(gòu)分析

圖5為側(cè)風(fēng)條件下風(fēng)速3m/s條件下各視角的流線圖，其中圖5（a）～圖5（c）分別為短艙進(jìn)氣道的俯視圖、主視圖和側(cè)視圖，灰色半透明部分為短艙進(jìn)氣道，俯視圖中的云圖為近地面的靜壓云圖（下同），圖5（d）為進(jìn)氣道出口截面二維流線圖（逆航向看，下同）。從圖5 （a）～圖5 （c）可以看到，該風(fēng)速下在短艙前方偏右（逆航向看，下同）的位置形成了地面渦，而后向上卷吸，在進(jìn)氣道中心偏下處進(jìn)入進(jìn)氣道，同時在短艙左側(cè)也有一股氣流吸入，這股氣流是該工況下形成的尾渦，這是由于進(jìn)氣道軸向遠(yuǎn)離唇口（外壁面）周圍的渦量遠(yuǎn)小于進(jìn)氣道唇口周圍的渦量，從而根據(jù)沿渦管環(huán)量不變的理論可知，進(jìn)氣道唇口周圍會形成一個與地面渦方向相反的尾渦以使得沿軸向的渦量保持不變。從圖5（d）可以看出，在該工況下，進(jìn)入進(jìn)氣道的地面渦在進(jìn)氣道出口截面形成了兩個方向相反的旋渦。

3.2風(fēng)速大小對地面渦的影響分析

圖6為不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下地面渦的形成及發(fā)展，側(cè)風(fēng)方向為從右到左（逆航向看）?？梢钥闯觯S著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，地面渦的位置、個數(shù)及強(qiáng)度均會發(fā)生變化，當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1～3m/s時（3m/s時的地面渦見圖5，下同），形成的地面渦均為一個單渦和一個尾渦。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為4m/s時形成的地面渦仍為一個單渦和一個尾渦；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速增大至5m/s時流場演變?yōu)殡p渦結(jié)構(gòu)地面渦和一個尾渦；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速增大到6m/s時，重新演變?yōu)閱蝹€地面渦和一個尾渦；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為7m/s時，只形成了一個極小的尾渦。同時可以看到隨著風(fēng)速的增加，地面渦的駐點沿順著風(fēng)速的方向移動，短艙進(jìn)口尾渦的位置逐漸遠(yuǎn)離地面。

圖7為距離地面1m高度處平面的無量綱環(huán)量和靜壓差隨風(fēng)速的變化。隨著側(cè)風(fēng)來流風(fēng)速的增加，無量綱環(huán)量基本上呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2～ 3m/s時無量綱環(huán)量達(dá)到最大，而后隨著風(fēng)速的增加，無量綱環(huán)量開始減小，但在側(cè)風(fēng)風(fēng)速為5m/s時無量綱環(huán)量又有了小幅度的增加，從圖6中可以看到，這是因為形成了兩個渦。隨著側(cè)風(fēng)來流風(fēng)速的增加，靜壓差呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到3m/s時靜壓差達(dá)到最大，而后隨著風(fēng)速的增加，靜壓差開始減小。

3.3風(fēng)速大小對進(jìn)氣道出口截面流場的影響分析

圖8為不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下進(jìn)氣道出口截面二維流線圖（逆航向）。從圖中可以看出，當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1m/s時，流線稍有偏轉(zhuǎn)，但尚未形成渦；側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2m/s時，在進(jìn)氣道出口截面形成了一個順時針旋轉(zhuǎn)的旋渦，靠近進(jìn)氣道出口截面左側(cè)且旋渦的范圍較小；側(cè)風(fēng)風(fēng)速為3m/s時，形成的旋渦幾乎在進(jìn)氣道出口截面的正下方，也為順時針方向，但旋渦的范圍更大；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為4m/s時，在進(jìn)氣道出口截面下方左側(cè)形成了兩個方向相反的渦，兩個渦的強(qiáng)度、范圍均較為接近且均靠近壁面；側(cè)風(fēng)風(fēng)速為5m/s、6m/s時，與風(fēng)速為4m/s時類似，也是形成了兩個方向相反的渦，但隨著風(fēng)速的增加，渦的范圍減小且下方的逆時針旋轉(zhuǎn)的旋渦范圍減小得更明顯，風(fēng)速為6m/s時逆時針旋轉(zhuǎn)的旋渦已經(jīng)幾乎消失；側(cè)風(fēng)風(fēng)速為7m/s時，進(jìn)氣道出口截面幾乎沒有旋渦形成?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速為3m/s時，進(jìn)氣道出口截面的旋渦范圍均較大，而從前文的分析可知，風(fēng)速為3m/s時，地面附近形成的地面渦較強(qiáng)，說明較強(qiáng)的地面渦會對進(jìn)氣道出口截面流動造成更大的影響；而風(fēng)速為1m/s時，從前文的分析可知，雖然形成的地面渦也被吸入了進(jìn)氣道，但是到進(jìn)氣道出口截面時，渦已經(jīng)很不明顯或消失，說明地面渦在經(jīng)過進(jìn)氣道時會與主流發(fā)生摻混，渦有所減弱。

為了定量評價吸入進(jìn)氣道的地面渦對風(fēng)扇截面流動的影響，計算了進(jìn)氣道出口截面的總壓恢復(fù)系數(shù)及渦量的環(huán)量。圖9為不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下風(fēng)扇截面總壓恢復(fù)系數(shù)和無量綱環(huán)量，從圖中可以看到，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速為3m/s時，總壓恢復(fù)系數(shù)最小，即產(chǎn)生了更多的總壓損失，但是總壓恢復(fù)系數(shù)的變化并不明顯，說明地面渦對風(fēng)扇截面的總壓的影響較小。而無量綱環(huán)量隨逆風(fēng)風(fēng)速的增加先增大后減小，逆風(fēng)風(fēng)速為3m/s時，無量綱環(huán)量最大。

4結(jié)論

通過本文的研究，得到以下結(jié)論：

（1）在一定側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，在地面和發(fā)動機(jī)之間會形成地面渦，當(dāng)逆風(fēng)風(fēng)速為7m/s時，由于風(fēng)速過大，地面渦已經(jīng)無法進(jìn)入進(jìn)氣道。

（2）在可形成地面渦的風(fēng)速下，地面渦的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速為3m/s時，地面渦的強(qiáng)度較大，當(dāng)風(fēng)速大于4m/s時，會形成兩個渦。

（3）地面渦進(jìn)入進(jìn)氣道之后，經(jīng)過在進(jìn)氣道內(nèi)的發(fā)展，到風(fēng)扇截面時，對風(fēng)扇截面流動的影響已經(jīng)比較小，但仍然存在規(guī)律，即所形成的地面渦強(qiáng)度越大，其對風(fēng)扇截面流動的影響越大。

參考文獻(xiàn)

[1]Klein H J. Vortex inhibitor for aircraft jet engines：U. S，Patent2915262[P]. 1959-12-01.

[2]Motycka D L. Ground vortex limit to engine reverser operation trans[J]. American Society of Mechanical Engineers，1976，9（8）：258-266.

[3]Motycka D L，Walter W A，Muller G. An analytical and experimental study of inlet ground vortices[J]. American Institute ofAeronautics andAstronautics，1973，3（2）：138-148.

[4]Motycka D L，Walter W A. An experimental investigation of ground vortex formation during reverse engine operation[J]. American Institute of Aeronautics and Astronautics，1976，7（8）：158-166.

[5]Murphy J P，MacManus D G. Intake ground vortices during takeoff[J]. American Institute of Aeronautics and Astronautics，2010，48（3）：688-701.

[6]趙光敏，胡宗安.風(fēng)機(jī)地面渦的生成、危害及消除[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1986（4）：131-135. Zhao Guangmin， Hu Zongan. The formation， damage and suppression of the ground vortex of a fan[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 1986（4）：131-135.（in Chinese）

[7]馬申義.地面渦研究[J].航空學(xué)報， 1989（5）：293-296. Ma Shenyi. A study of ground vortex[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 1989（5）：293-296. （in Chinese）

[8]Yadlin Y，Shmilovich A. Simulation of vortex flows for airplanes in ground operations[R]. American Institute of Aeronautics andAstronautics，2006.

[9]李超東，寧方飛，賈新亮.地面渦對進(jìn)發(fā)匹配的影響[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2015，28（4）：7-10. Li Chaodong， Ning Fangfei， Jia Xinliang. Study on the effects of ground vortex on the inlet-engine matching[J]. Gas Turbine Experiment and Research，2015，28（4）：7-10. （in Chinese）

[10]劉浩.地面渦對短艙進(jìn)氣道性能的影響研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2017. Liu Hao. Research on the influence of ground vortex on nacelle inlet[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics andAstronautics，2017. （in Chinese）

[11]王成.帶有風(fēng)扇葉片的短艙進(jìn)氣道地面渦影響研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2018. Wang Cheng. Research on the influence of ground vortex on nacelle inlet with blades[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics andAstronautics，2018. （in Chinese）

（責(zé)任編輯王為）

作者簡介

任丁?。?994-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：航空發(fā)動機(jī)飛行試驗技術(shù)研究。

Tel：18209290892E-mail：1251913959@qq.com

Numerical Simulation of Ground Vortex of Nacelle Inlet Under Crosswind Conditions

Ren Dingding*，Wang Junqi，Yang Liu，Liu Yu

Chinese Flight Test Establishment，Xian 710089，China

Abstract： The formation and development of ground vortex in nacelle inlet under crosswind conditions are studied by numerical simulation. By changing the crosswind speed， the influence of the crosswind speed on the ground vortex and its influence on the flowfield of the inlet outlet are obtained. The results show that under the conditions of crosswind， the ground vortex is easy to form， which is accompanied by the tail vortex. With the increase of crosswind speed， the intensity of the ground vortex first increases and then decreases， and the location and structure of the ground vortex also change. The greater the intensity of the ground vortex， the greater its influence on the flowfield of the inlet outlet. However， due to the development of the ground vortex in the inlet， the influence of the ground vortex on the flowfield of the inlet outlet is relatively small.

Key Words： nacelle； inlet； crosswind； ground vortex； numerical simulation