航空發(fā)動機(jī)地面試車臺排氣再吸入問題的數(shù)值研究

陳志龍CHEN Zhi-long；羌曉青QIANG Xiao-qing；曹傳軍CAO Chuan-jun；邱添QIU Tian

（①上海交通大學(xué)，上海 201108；②中國航發(fā)商發(fā)，上海 201108）

0 引言

整機(jī)室內(nèi)試車臺試車時，由于發(fā)動機(jī)燃?xì)馍淞髋c試車臺的引射作用，試車臺進(jìn)排氣流量大約是發(fā)動機(jī)流量的2到3 倍[1]。對于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，在最大起飛工況下，其在試車臺內(nèi)的引射作用會使進(jìn)排氣流量可達(dá)3000kg/s以上，這使得試車臺外的流場將由進(jìn)排氣流動所主導(dǎo)[2][3]。

試車臺的建造受場地限制，其空間尺寸是有限的，并結(jié)合惡劣氣候下的大氣流動，試車臺排出的氣流有可能受進(jìn)氣流影響，被進(jìn)氣塔再次吸入，這種排氣塔氣流被再吸入進(jìn)氣塔的現(xiàn)象（后文簡稱再吸入現(xiàn)象）會導(dǎo)致試車臺內(nèi)的流場、溫度場紊亂，從而對發(fā)動機(jī)試車產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。因此在試車臺的氣動設(shè)計階段就應(yīng)充分考慮再吸入的可能性，并盡量避免再吸入的發(fā)生，保證試車臺內(nèi)部流場平穩(wěn)流暢[5]，進(jìn)而保證試車安全和有效。

試車臺環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量大小、排氣塔的高度、排氣塔與進(jìn)氣塔的距離是決定是否發(fā)生再吸入現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。鑒于排氣塔與進(jìn)氣塔的距離，受車臺建設(shè)場地限制較大，且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有參考。本文采用數(shù)值模擬方法，主要研究前三個變量對試車臺外流與再吸入現(xiàn)象的影響。

1 整機(jī)試車臺外部流場分析

考慮到噪聲、工藝布局對試車臺建設(shè)的影響，很多發(fā)動機(jī)試車單位一般會在同一區(qū)域規(guī)劃多座試車臺，因此本文建立水平排列、間隙固定的兩座試車臺模型研究試車臺外流流場。且本文研究的是試車臺進(jìn)排氣再吸入現(xiàn)象，因此模型設(shè)置環(huán)境氣流大致方向?yàn)榕艢馑飨蜻M(jìn)氣塔。如圖1 所示。

圖1 試車臺外流氣動力示意圖

根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)玫瑰圖與發(fā)動機(jī)工況，選取最嚴(yán)格的環(huán)境流動與內(nèi)流工況作為仿真模擬的輸入，其中當(dāng)?shù)丨h(huán)境全年統(tǒng)計超過1%的最高風(fēng)速為22 節(jié)；選取由排氣塔吹向本身的進(jìn)氣塔（正北風(fēng)）與排氣塔吹向相鄰進(jìn)氣塔（西北風(fēng)22.9°）為最嚴(yán)苛環(huán)境流動[6]，并按照排氣塔分別增高0.25D、0.375D、0.5D 計算試車臺外流流場（D 為試車間橫截面邊長）。

2 數(shù)值計算模型與方法

2.1 試車臺模型

試車臺主要由進(jìn)氣塔、試車間、引射筒、排氣塔組成，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，排氣塔高2.82D，進(jìn)氣塔高1.83D。同時，考慮試車臺內(nèi)的消音板、導(dǎo)流板、開孔擴(kuò)壓器等對外流沒有影響，應(yīng)當(dāng)簡化外流模型。

2.2 控制體選取

仿真控制體為模擬無限遠(yuǎn)處的環(huán)境流場，除了定義邊界為無反射恒定流場邊界外，拉伸邊界到模型的距離，以消除計算邊界對仿真的影響。

2.3 流體域網(wǎng)格

流體網(wǎng)格劃分過程中，按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對流體域進(jìn)行了分割，并在全區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為在獲得流場特性的同時，減少網(wǎng)格總數(shù)，設(shè)置網(wǎng)格尺寸由試車臺至遠(yuǎn)場逐漸放大，流體域網(wǎng)格數(shù)量總計約為1500 萬。

2.4 湍流模型與數(shù)值算法

流場計算采用隱式格式求解對流項，采用有限體積法求解N-S 方程，湍流模型選用Realizable k-ε 模型。遠(yuǎn)場為無反射邊界，壁面無滑移、無穿透，在近壁面垂直于壁面的方向上的壓力梯度為零。

3 結(jié)果分析

3.1 試車臺外流流場基本結(jié)構(gòu)

排氣流分別受排氣動能與環(huán)境氣流速度兩方面作用，將在排氣塔口上升的同時，向下風(fēng)口處移動。在接近進(jìn)氣塔口時，由于流體粘性的作用，排氣流會如圖2 所示，受進(jìn)氣流的影響，向下方偏轉(zhuǎn)，并結(jié)合環(huán)境動能，被進(jìn)氣塔再吸入或流出進(jìn)氣塔影響范圍。

圖2 試車臺排氣流線（馬赫數(shù)）分布

3.2 風(fēng)向?qū)υ囓嚺_進(jìn)排氣流的影響

本節(jié)仿真計算對比中，環(huán)境流動分為以下兩種情況：①風(fēng)速達(dá)到當(dāng)?shù)啬甓日急葧r間高于1%的最大風(fēng)速22 節(jié)（約11.3m/s），水平風(fēng)向由排氣塔指向本座試車臺的進(jìn)氣塔（正北風(fēng)），發(fā)動機(jī)在最大起飛工況；②風(fēng)速達(dá)到當(dāng)?shù)啬甓日急葧r間高于1%的最大風(fēng)速22 節(jié)（約11.3m/s），水平風(fēng)向由排氣塔指向相鄰試車臺的進(jìn)氣塔（西北風(fēng)22.9°），發(fā)動機(jī)在最大起飛工況。

如圖3 所示，發(fā)動機(jī)的最大起飛工況下，相比于環(huán)境流動，排氣流在垂直方向上占主導(dǎo)地位，因此排氣流沒有進(jìn)入進(jìn)氣流的影響區(qū)，兩者都沒有再吸入現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 不同風(fēng)向流動對試車臺外流的影響

但在放大進(jìn)氣塔附近的流場，從圖4 中可以看出，正北風(fēng)下，進(jìn)氣流在垂直方向的影響區(qū)為1.01D，而在西北風(fēng)下，進(jìn)氣流在垂直方向的影響區(qū)僅0.73D，說明正北風(fēng)更容易導(dǎo)致再吸入現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 不同風(fēng)向流動對進(jìn)氣流線的影響

3.3 發(fā)動機(jī)工況對試車臺進(jìn)排氣流的影響

發(fā)動機(jī)工況的變化將導(dǎo)致試車臺進(jìn)排氣流量的變化，從而改變環(huán)境水平流動與進(jìn)排氣垂直流動的相互影響，當(dāng)環(huán)境水平流動占主導(dǎo)作用后，排氣流線將在排氣塔出口外立即轉(zhuǎn)向，最終增加被再吸入的風(fēng)險。

如圖5 所示，在慢車工況下，由于垂直氣流作用的減小，環(huán)境水平流動占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致排氣流在排氣塔內(nèi)側(cè)形成旋渦，這時進(jìn)氣流受環(huán)境流動影響，上游流線延伸至排氣流上方，這導(dǎo)致在垂直方向上，進(jìn)氣流將排氣流包裹，大大增加了再吸入的風(fēng)險。

圖5 正北風(fēng)22 節(jié)下不同發(fā)動機(jī)工況對試車臺外流的影響

在最大起飛工況下，進(jìn)排氣兩者的粘性影響大大減弱，使得進(jìn)氣流影響區(qū)趨向于水平延伸，完全避免了再吸入的風(fēng)險。

試車臺應(yīng)保證在慢車工況下的排氣流脫開進(jìn)氣流影響區(qū)，才能保證在發(fā)動機(jī)全工況下都沒有再吸入現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4 試車臺排氣塔高對試車臺進(jìn)排氣流的影響

根據(jù)上文所述，避免再吸入發(fā)生需要保證排氣流高于進(jìn)氣流的影響區(qū)，對于試車臺氣動設(shè)計，最直接的方法就是增高排氣塔高度，以改善試車臺外流流場。排氣流的初始高度升高，排氣流在下游逐漸脫開進(jìn)氣流的影響區(qū)，避免了再吸入的發(fā)生，如表1。

表1 試車臺外流仿真再吸入分析匯總

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對試車臺排氣再吸入現(xiàn)象進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論：

①在相鄰多臺試車臺同時工作的情況下，平行于進(jìn)排氣塔連線方向的風(fēng)向相比于傾斜風(fēng)向更容易導(dǎo)致再吸入。在同等風(fēng)速下，正北風(fēng)環(huán)境比西北風(fēng)22.9°的進(jìn)氣影響區(qū)高0.28D。

②發(fā)動機(jī)慢車工況排氣流更容易進(jìn)入進(jìn)氣流動的影響區(qū)，增加再吸入的風(fēng)險，需要設(shè)計保證在慢車工況下排氣流在垂直方向上高于進(jìn)氣流影響區(qū)，即進(jìn)排氣塔高度差小于0.75D，才能使得發(fā)動機(jī)全工況下都不會發(fā)生再吸入現(xiàn)象。

③增高排氣塔會提高排氣流動的初始高度，減弱進(jìn)氣流對排氣流的粘性影響，從而減小再吸入的風(fēng)險。