氣動(dòng)仿真助推渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制全面加速

■ 李維 潘尚能 孟博 肖為 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所作為國(guó)內(nèi)航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)基地，不斷根據(jù)自身特點(diǎn)，深化仿真手段在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)階段的應(yīng)用，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，最大限度地發(fā)揮氣動(dòng)仿真的作用，提升了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能與壽命，降低了研發(fā)周期與費(fèi)用。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真的工具也不斷成熟，在縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期、降低研發(fā)成本方面的成效不斷顯現(xiàn)[1]。中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所作為國(guó)內(nèi)主要的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位，先后承擔(dān)過多種型號(hào)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作，在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真方面有著扎實(shí)的理論研究基礎(chǔ)和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前，動(dòng)研所在型號(hào)研制中不斷強(qiáng)化仿真的工具作用，已建成高性能計(jì)算平臺(tái)，具備億級(jí)網(wǎng)格的氣動(dòng)三維數(shù)值仿真能力，針對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)仿真特點(diǎn)開展了葉輪機(jī)流場(chǎng)/性能仿真、聯(lián)合/耦合氣動(dòng)及換熱仿真、起動(dòng)過程全尺寸燃燒室三維點(diǎn)火仿真、多相流仿真等研究工作，如圖1所示，對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的全面加速起到了關(guān)鍵作用。

圖1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真主要內(nèi)容

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)仿真的特點(diǎn)

與大型渦扇、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：裝機(jī)對(duì)象主要為直升機(jī)，通過旋翼產(chǎn)生強(qiáng)大氣流的反作用力來拉起/拉動(dòng)起降/飛行，機(jī)體周圍旋翼下洗流動(dòng)顯著，給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣帶來影響；軸功率一般不超過5000kW，多數(shù)都在2000kW及以下，因此，幾何尺寸及空氣流量相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速高，“小尺寸效應(yīng)”及“小流量效應(yīng)”顯著；構(gòu)型多樣，包括多級(jí)軸流、單級(jí)離心、“軸流+離心”和雙級(jí)離心壓氣機(jī)，直流、斜流、回流、折流燃燒室，軸流、向心渦輪，軸向/徑向進(jìn)氣與軸向/偏斜式排氣，有的還帶有整體式粒子分離器；另外，直升機(jī)起降靈活，需要很強(qiáng)的適應(yīng)復(fù)雜惡劣環(huán)境的能力，包括山區(qū)、沙漠、冰雪地面以及海面，尤其在起降過程吸入沙石、樹葉、雜草等外物，帶來葉片磨蝕，氣路、油路堵塞，軸承磨損等不利影響。

同時(shí)，新材料、新工藝的發(fā)展，以及適航性、安全性要求等均對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的性能仿真提出了新挑戰(zhàn)，例如，內(nèi)部流動(dòng)的尺度效應(yīng)明顯，邊界層三維效應(yīng)強(qiáng)，小尺寸流動(dòng)湍流邊界層厚度甚至接近流動(dòng)尺度，黏性力影響大，壁面摩擦和熱交換現(xiàn)象均更劇烈；氣流折轉(zhuǎn)多，內(nèi)部流場(chǎng)的畸變和損失控制難度大；渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)最常見的裝機(jī)位置是在直升機(jī)旋翼下方，旋翼的下洗氣流會(huì)誘發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振和左右發(fā)功率不平衡等問題[2]。

此外，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)仿真還面臨著逆壓梯度大、流動(dòng)三維效應(yīng)和轉(zhuǎn)靜子干涉明顯、流動(dòng)耦合互相關(guān)效應(yīng)強(qiáng)、內(nèi)流氣體物理特性變化大、存在氣/液/固三項(xiàng)流耦合情況等發(fā)動(dòng)機(jī)仿真的共性問題[3]，這些問題均給渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)模擬精度的提升帶來了挑戰(zhàn)，獲得高精度性能仿真結(jié)果的難度極大。因此，如何準(zhǔn)確模擬渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件和附屬系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象，以提高性能仿真的精度和可靠性，一直以來都是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)仿真研究的重中之重。

葉輪機(jī)流場(chǎng)/性能仿真

與一般航空發(fā)動(dòng)機(jī)類似，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪機(jī)氣動(dòng)仿真主要包括壓氣機(jī)和渦輪的氣動(dòng)仿真，是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)仿真工作的重點(diǎn)。動(dòng)研所通過相關(guān)研究工作，使得仿真的精度和可信度已滿足工程研制需要，為加速渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供了強(qiáng)有力的支撐。

采用S2流面計(jì)算分析與規(guī)范化的雷諾平均方程（RAN-S）方法，對(duì)壓氣機(jī)、渦輪開展常規(guī)的設(shè)計(jì)分析與迭代優(yōu)化工作，可以在較短時(shí)間內(nèi)以較低成本提供葉輪力學(xué)性能數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的詳細(xì)流場(chǎng)細(xì)節(jié)，從而能在數(shù)天時(shí)間內(nèi)完成方案設(shè)計(jì)與性能分析工作，加速渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程，如圖2所示。這對(duì)于不斷提升渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能、減少設(shè)計(jì)反復(fù)具有重大意義。

圖2 軸流-離心組合壓氣機(jī)氣動(dòng)仿真

同時(shí)，基于非線性諧波法和全通道非定常RAN-S求解法的非定常仿真方法，是研究進(jìn)氣畸變影響、葉輪機(jī)械端區(qū)流動(dòng)、轉(zhuǎn)靜子干涉時(shí)序效應(yīng)等復(fù)雜流動(dòng)問題的有效工具，可在試驗(yàn)前獲得葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的時(shí)域與頻域信息，從而指導(dǎo)試驗(yàn)與測(cè)試方案，降低了型號(hào)研制對(duì)于試驗(yàn)的依賴度和試驗(yàn)需求，特別是減少了畸變?cè)囼?yàn)和喘振邊界摸底試驗(yàn)等高風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)的次數(shù)，提升了試驗(yàn)的成功率。

另外，基于RAN-S的流熱耦合仿真廣泛應(yīng)用于渦輪葉片冷卻方案設(shè)計(jì)，并與葉片冷卻效果試驗(yàn)相結(jié)合，解決小尺寸冷卻試驗(yàn)測(cè)試布置困難、測(cè)量區(qū)域和精度有限的難題，獲得小尺寸葉片在真實(shí)環(huán)境下較為準(zhǔn)確的溫度分布，確保渦輪設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的一次成功。

近年來，以離散大渦模擬（DES）和大渦模擬（LES）的仿真方法在低雷諾數(shù)渦輪葉片、高壓比單級(jí)壓氣機(jī)流場(chǎng)分析和端區(qū)復(fù)雜流動(dòng)分析和損失控制中也得到了應(yīng)用，解決小尺寸葉輪機(jī)流場(chǎng)測(cè)量困難的問題，在一定程度上可以替代葉柵試驗(yàn)，優(yōu)化葉輪機(jī)設(shè)計(jì)，提高葉輪機(jī)全包線性能。

在仿真工作的支持下，動(dòng)研所目前已經(jīng)具備壓比25∶1以上的組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)能力，以及單級(jí)膨脹比4.5∶1跨聲渦輪和進(jìn)口總溫1900K量級(jí)、總效率92%的小尺寸冷卻渦輪設(shè)計(jì)能力，未來將繼續(xù)向負(fù)荷更大、效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊的葉輪機(jī)械高精度性能仿真方向發(fā)展。

聯(lián)合/耦合氣動(dòng)及換熱仿真

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)緊湊和裝機(jī)位置特殊等原因，需要對(duì)氣動(dòng)及換熱問題進(jìn)行綜合考量，才能較為準(zhǔn)確地評(píng)估出設(shè)計(jì)方案的有效性及合理性，為發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)及性能優(yōu)化提供定量數(shù)據(jù)支撐。

空氣系統(tǒng)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力、強(qiáng)度壽命以及變形等關(guān)系密切，而這些又與發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行緊密相關(guān)。因此，只有準(zhǔn)確地仿真出轉(zhuǎn)子周圍的流動(dòng)及換熱情況，對(duì)轉(zhuǎn)子件強(qiáng)度、壽命、變形進(jìn)行準(zhǔn)確分析，才能為發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)提供保障。

由于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量小、溫度梯度大，冷氣沿程溫升很高，流動(dòng)與傳熱熱效應(yīng)非常顯著。為滿足工程分析精度要求，必須進(jìn)行空氣流動(dòng)與零件傳熱耦合仿真分析。以一個(gè)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪二級(jí)導(dǎo)向葉片及內(nèi)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的流熱耦合結(jié)果為例，其中考慮了冷氣沿程的沖擊換熱、肋片強(qiáng)化冷卻、空氣預(yù)旋、盤腔風(fēng)阻、篦齒射流等一系列復(fù)雜流動(dòng)與換熱現(xiàn)象的相互耦合影響。空氣系統(tǒng)仿真在準(zhǔn)確提供轉(zhuǎn)子盤腔內(nèi)部氣流流動(dòng)信息的同時(shí)，還有助于更精確地進(jìn)行零部件冷卻效果、溫度場(chǎng)分析。這對(duì)提升渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能、壽命，保障渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力支撐。

整機(jī)聯(lián)合氣動(dòng)仿真

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能與進(jìn)氣道性能和外界來流情況直接關(guān)聯(lián)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比、效率和裕度均會(huì)大幅下降，甚至危及穩(wěn)定運(yùn)行，這就需要通過各部件聯(lián)合氣動(dòng)仿真和內(nèi)外流耦合仿真分別對(duì)不同因素進(jìn)行評(píng)估[4]。為此，動(dòng)研所開展了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道—壓氣機(jī)—燃燒室—渦輪聯(lián)合氣動(dòng)仿真研究工作，如圖3所示，可有效評(píng)估各部件對(duì)整機(jī)性能的影響程度，對(duì)各部件的耦合匹配意義重大。

圖3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道—壓氣機(jī)—燃燒室—渦輪聯(lián)合氣動(dòng)仿真結(jié)果

直升機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外流耦合仿真

為進(jìn)一步探尋機(jī)體和直升機(jī)旋翼流動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律以及發(fā)動(dòng)機(jī)布局和進(jìn)排氣相互干擾的影響，尤其是三發(fā)布局的直升機(jī)，需要進(jìn)行內(nèi)外流耦合氣動(dòng)仿真研究工作。目前，動(dòng)研所通過采用多參考系模型，已開展了內(nèi)外流耦合流場(chǎng)仿真研究，如圖4所示，用以解決直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變、尾氣吸入等問題，避免飛發(fā)匹配與布局的重大調(diào)整，加速研制進(jìn)程。

圖4 內(nèi)外流耦合流場(chǎng)仿真結(jié)果

起動(dòng)過程全尺寸燃燒室三維點(diǎn)火仿真

動(dòng)研所在基于RAN-S燃燒仿真[5]研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了燃燒室內(nèi)的速度、溫度和濃度等物理量的高精度預(yù)測(cè)，滿足了燃燒室多輪次、快速迭代工程設(shè)計(jì)的需要。同時(shí)，動(dòng)研所采用的“低維模型+RAN-S冷態(tài)流場(chǎng)”的點(diǎn)火概率分析方法，可以低成本實(shí)現(xiàn)燃燒室點(diǎn)熄火等非穩(wěn)態(tài)工況的高精度仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火邊界的預(yù)測(cè)，已為多款發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的順利研發(fā)提供了技術(shù)保障，避免設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證的不斷反復(fù)，大大提升了燃燒室設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，減少了試驗(yàn)次數(shù)。同時(shí)，針對(duì)下一代高性能燃燒室的研發(fā)需求，動(dòng)研所還開展了LES燃燒仿真研究和基于可實(shí)現(xiàn)k-ε（RKE）湍流模型、火焰面生成流形（FGM）模型的低成本數(shù)值仿真研究，可分別實(shí)現(xiàn)精細(xì)化燃燒仿真和高精度點(diǎn)火概率仿真，如圖5所示，進(jìn)一步為燃燒室設(shè)計(jì)的一次成功提供了保障。

圖5 RAN-S與LES仿真結(jié)果對(duì)比

多相流仿真

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜環(huán)境使用中，其真實(shí)流動(dòng)還包括氣/固、氣/液、氣/液/固等多相流動(dòng)。典型的包括粒子分離器沙石分離、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣結(jié)冰、吞水以及滑油潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)部的空氣/滑油等多相流。動(dòng)研所的研究經(jīng)驗(yàn)表明：高保真或高精度的多相流仿真工作在加速設(shè)計(jì)方案迭代、改進(jìn)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)、確保試驗(yàn)驗(yàn)證的成功等方面作用巨大。

粒子分離器氣/固兩相流仿真

粒子分離器的主要功能是避免沙石被渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吸入，以減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的撞擊、磨蝕和對(duì)渦輪冷卻通道的堵塞，避免發(fā)動(dòng)機(jī)性能的衰減和故障的發(fā)生，在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛應(yīng)用。目前針對(duì)粒子分離器的穩(wěn)態(tài)三維流動(dòng)問題，動(dòng)研所通過采用基于拉格朗日粒子追蹤原理的仿真方法，開展了大量的氣固兩相耦合仿真，模擬了粒子分離器內(nèi)的分叉流動(dòng)現(xiàn)象（如圖6所示），并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行了沙石模型的修正，提高了仿真精度，其分離效率的仿真預(yù)測(cè)精度已在5%以內(nèi)，基本滿足了工程需要。在此基礎(chǔ)上，動(dòng)研所已實(shí)現(xiàn)了粗沙分離效率不低于90%、細(xì)沙分離效率不低于80%、總壓損失小于2.5%的粒子分離器的研發(fā)與驗(yàn)證，為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供了切實(shí)保障。

圖6 粒子分離器內(nèi)部沙粒運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

防/結(jié)冰設(shè)計(jì)的氣/液及液固相變仿真

結(jié)冰作為航空器上的常見現(xiàn)象，給飛行器的安全帶來了極大隱患。目前，防/結(jié)冰設(shè)計(jì)分析涉及兩相流、相變、傳熱傳質(zhì)過程，技術(shù)難度大；冰風(fēng)洞試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，給防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證造成了較大困難。動(dòng)研所基于FLUENT軟件二次開發(fā)的防冰/結(jié)冰仿真分析軟件，能夠?qū)^冷水滴撞擊特性、防冰熱平衡以及靜止部件的結(jié)冰冰形進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，如圖7所示，極大地提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。通過防冰/結(jié)冰仿真分析，不僅提高了防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功率，還解決了民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中遇到的結(jié)冰關(guān)鍵點(diǎn)選取等技術(shù)瓶頸，促進(jìn)了民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證工作的順利開展，大大降低了防/結(jié)冰試驗(yàn)周期和成本，為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

圖7 進(jìn)氣支板結(jié)冰冰形仿真與試驗(yàn)對(duì)比

滑油系統(tǒng)多相流動(dòng)仿真

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的性能對(duì)整機(jī)的可靠性、壽命、安全性都意義重大，其內(nèi)部涉及油氣兩相、液體撞擊固體壁面、旋轉(zhuǎn)湍流等復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)，是典型的多相流動(dòng)問題。目前，動(dòng)研所采用體積函數(shù)法（VOF）兩相計(jì)算模型，開展了滑油潤(rùn)滑系統(tǒng)的流動(dòng)仿真分析，包括典型旋轉(zhuǎn)流動(dòng)下的環(huán)下潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)內(nèi)部油/氣兩相流的流動(dòng)狀態(tài)仿真，如圖8所示，仿真對(duì)收油效率的預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果偏差基本達(dá)到工程需要。并且相較試驗(yàn)而言，數(shù)值仿真周期短，比試驗(yàn)研究更具靈活性，可以對(duì)試驗(yàn)難以測(cè)量的內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)做出預(yù)測(cè)，獲取內(nèi)部的油氣兩相流流動(dòng)狀態(tài)和特性，為滑油系統(tǒng)管路、通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)以及滑油消耗量精準(zhǔn)預(yù)估提供了依據(jù)，對(duì)提高滑油系統(tǒng)收油效率、保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)均有重要意義。

圖8 滑油系統(tǒng)空氣場(chǎng)幾何模型—仿真—試驗(yàn)結(jié)果圖

結(jié)束語

綜合分析現(xiàn)有技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)可以預(yù)見：以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的低維度實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，可以大大加快發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)迭代速度；以LES大渦模擬為代表的高保真三維仿真技術(shù)，可大幅提高仿真精度并統(tǒng)一發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)湍流模型。上述方法均對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)意義重大，如應(yīng)用得當(dāng)，則有望在計(jì)算量適中且精度較高的湍流仿真模型與方法的建立、飛發(fā)一體化耦合仿真、高精度流動(dòng)分離預(yù)測(cè)及氣固熱耦合仿真等渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真未來研究

中發(fā)揮巨大作用。