一種小型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變模擬裝置的設(shè)計(jì)仿真分析*

盧予恩，李 博，王 雷

(1.中國飛行試驗(yàn)研究院 發(fā)動(dòng)機(jī)所，陜西 西安 710089；

2.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引 言

推進(jìn)系統(tǒng)作為動(dòng)力源，是飛機(jī)和巡航類導(dǎo)彈的重要組成部分。 推進(jìn)系統(tǒng)中各部分的匹配性，尤其是進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性將直接決定著飛行器的性能。進(jìn)氣道處于整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的最前端，它與其后的發(fā)動(dòng)機(jī)必須互相適應(yīng)、互相匹配，才能保證整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步匹配。 因此進(jìn)/發(fā)匹配十分重要。 進(jìn)/發(fā)匹配包括流量匹配和流場匹配，在流場匹配方面，近年來，由于對飛行器其他性能的要求，如為保持飛行器隱身性能、巡航導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)限制等，通常采取非常規(guī)的進(jìn)氣道構(gòu)型，如大S 彎進(jìn)氣道，以及飛行過程中的大攻角、大側(cè)滑狀態(tài)，均會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣道出口流場品質(zhì)變差，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面(AIP)出現(xiàn)流場畸變從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)前應(yīng)進(jìn)行進(jìn)氣畸變測試，以保障飛行安全。 常用的進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性試驗(yàn)方法是將發(fā)動(dòng)機(jī)放置在高空試驗(yàn)臺(tái)或地面試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測試，并在發(fā)動(dòng)機(jī)前面加裝進(jìn)氣畸變發(fā)生器或畸變模擬裝置，復(fù)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在某一狀態(tài)下的進(jìn)氣道出口流場特點(diǎn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。

大多數(shù)的流場畸變一般指流場總壓畸變。 如果總壓畸變不隨時(shí)間變化，稱為穩(wěn)態(tài)總壓畸變，常用DC60、DC90或Δ等畸變指標(biāo)衡量畸變大小。 流場畸變的模擬有多種技術(shù)。 最早采用的是畸變模擬網(wǎng)技術(shù)[1]，其流場紊流度較小，主要產(chǎn)生的是穩(wěn)態(tài)總壓畸變。 空氣噴流畸變模擬器同樣模擬的是穩(wěn)態(tài)總壓畸變，其通過噴射氣流來形成不均勻流場。 隨著超聲速戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展，出現(xiàn)了紊流發(fā)生器技術(shù)，其主要模擬流場中的大振幅的不規(guī)則脈動(dòng)。 畸變模擬板技術(shù)通過改變模擬板的形狀、厚度、挖孔大小及分布，可以綜合模擬畸變圖譜、穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)畸變流場，但是通用性不強(qiáng)，針對不同要求需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)。 插板模擬技術(shù)利用插入流場中的實(shí)心板模擬穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)畸變，但是不能對流場圖譜進(jìn)行模擬。

梁德旺等[2-3]用“雙板結(jié)構(gòu)”模擬板和“大板結(jié)構(gòu)”模擬板分別成功模擬了高湍流度畸變流場以及某飛行器進(jìn)氣道出口大畸變流場；陳曉等[4-5]研究了變唇口加板或加桿的模擬技術(shù)，研究表明該技術(shù)不僅能模擬復(fù)雜的總壓分布和穩(wěn)態(tài)畸變指數(shù)，也能模擬動(dòng)態(tài)畸變指數(shù)；葉巍等[7]則通過研究模擬板技術(shù)，提出了一種半經(jīng)驗(yàn)、半數(shù)學(xué)的模擬方法。 這些方法都能夠不同程度地實(shí)現(xiàn)畸變模擬的目的，但是不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中畸變值的可調(diào)。 余安遠(yuǎn)等[7]提出了一種用于進(jìn)發(fā)匹配的畸變模擬板與紊流發(fā)生環(huán)組合畸變模擬技術(shù)，但是囿于當(dāng)時(shí)條件限制，并沒有開展數(shù)值模擬研究，設(shè)計(jì)工作主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)選型，成本較高。

筆者以某型小發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種總壓畸變值連續(xù)可調(diào)的畸變模擬裝置，并利用CFD 技術(shù)對其進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了一套能較為準(zhǔn)確產(chǎn)生畸變效果的裝置，并進(jìn)行了地面抽吸實(shí)驗(yàn)，對數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 畸變發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

文中所需的總壓畸變模擬裝置只需模擬流場的穩(wěn)態(tài)壓力畸變，不需要考慮流場脈動(dòng)和畸變圖譜，根據(jù)研制要求，畸變模擬裝置長度需限制在一定范圍內(nèi)，畸變模擬板的數(shù)量需盡可能少，且穩(wěn)態(tài)畸變可在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，依此設(shè)計(jì)了由可調(diào)畸變模擬板、整流格柵組成的總壓畸變模擬裝置，主要結(jié)構(gòu)和安裝形式如圖1 所示。

圖1 總壓畸變模擬裝置模型圖

1.1 可調(diào)畸變模擬板

氣流流過布滿小孔的畸變模擬板后，由于流動(dòng)損失，這部分氣流總壓下降，從而可產(chǎn)生一定程度的總壓畸變。 畸變模擬板包括一塊靜板和一塊動(dòng)板，靜、動(dòng)板形狀相同，與流道同軸:伸入圓形流道的形狀是角度為θ的扇形，可在扇形下游一定角度范圍內(nèi)產(chǎn)生流場畸變；板上按照一定規(guī)律開有小孔，這樣既可產(chǎn)生總壓損失，又能避免板后的回流區(qū)過大、過長；其中，靜板固定在試驗(yàn)段上，動(dòng)板則可繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度Δθ，這里規(guī)定，當(dāng)兩塊模擬板完全重疊時(shí)，Δθ為0。 通過改變?chǔ)う龋梢愿淖兛倝夯冎礑C60的大小，從而達(dá)到總壓畸變可調(diào)的目的。 以其中θ＝35°的畸變模擬板為例，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 畸變模擬板 模型圖

1.2 整流格柵

氣流在流過模擬板后，板后會(huì)產(chǎn)生較大的二次流，其摻混作用會(huì)使得由上游模擬板產(chǎn)生的低壓區(qū)和高壓區(qū)迅速混合，使得下游的總壓畸變值迅速衰減、下降，且產(chǎn)生回流，這不利于減小裝置長度，故在模擬板后設(shè)計(jì)了一個(gè)整流格柵，用于穩(wěn)定總壓畸變值，減小紊流帶來的摻混效果。 整流格柵的設(shè)計(jì)包括格柵單元通道尺寸，流向長度以及阻塞比，格柵結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 整流格柵模型圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格敏感性分析

計(jì)算模型包括:進(jìn)口段、包含有畸變模擬板和整流格柵的畸變段、測量段。 進(jìn)口假定為均勻來流，進(jìn)口段長度取3 倍管道直徑D，并去掉了物理模型中其他與計(jì)算無關(guān)的部分，為確定AIP 截面位置，仿真測量段取8 倍管道直徑D，以安裝有扇形角θ＝35°的模型為例，計(jì)算域如圖4 所示。

圖4 計(jì)算域示意圖

由于畸變段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散物理模型，而全局采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格又會(huì)導(dǎo)致整體網(wǎng)格量增加，需要消耗更多計(jì)算資源，計(jì)算效率較低，故采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，在格柵和畸變模擬板附近采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，二者之間通過內(nèi)部面?zhèn)鬟f參數(shù)。 經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格量在450 萬左右時(shí)能較為精確地模擬氣動(dòng)性能。

由于該小型發(fā)動(dòng)機(jī)流量較小，管內(nèi)流動(dòng)馬赫數(shù)較低，約為0.2 左右，故采用基于壓力的求解方法，氣體模型采用理想氣體。 湍流模型采用K-ωSST 模型。進(jìn)出口條件分別采用壓力進(jìn)口、壓力出口。 邊界條件如下:參考壓力為101 325 Pa，設(shè)置進(jìn)口總壓(相對壓力)為0，出口給定發(fā)動(dòng)機(jī)流量，其他壁面默認(rèn)為絕熱無滑移壁面。

2.2 仿真方案設(shè)計(jì)

為了探明畸變發(fā)生裝置各關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對其產(chǎn)生的畸變效果的影響，改變了關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，生成了了九個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案，以遴選其中效果較好的設(shè)計(jì)方案，其中，格柵方面探究了有無格柵、不同格柵寬度和不同格柵長度對結(jié)果的影響，畸變板方面探究了不同θ＋Δθ值的畸變板對結(jié)果的影響，還探究了畸變板-格柵沿流向的距離、有無紊流環(huán)對結(jié)果的影響，選取的各關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)組合如表1 所列。

表1 畸變發(fā)生裝置設(shè)計(jì)方案

為了使畸變得到有效控制，且總壓畸變值變化范圍滿足要求，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變，經(jīng)前期仿真計(jì)算的篩選:采用扇形角θ分別為15°、35°、55°、85°四套畸變模擬板，最大可調(diào)角度Δθ為7.5°；為防止在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，局部測點(diǎn)出現(xiàn)高壓，導(dǎo)致經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而插值得到的結(jié)果失真，采用了小通道為正方形，寬度為6.235 mm、沿流向長度為0.3D、畸變板-格柵距離為0.15D的整流格柵，其阻塞比為13.46%。 如表2 所列。 以畸變板為起始點(diǎn)，在下游每隔單位內(nèi)徑的距離取一個(gè)監(jiān)控面，一共取8 個(gè)監(jiān)控面，分別命名為1D、2D、…、8D，觀察各監(jiān)控面流動(dòng)情況，以確定下游AIP 截面位置。

表2 畸變發(fā)生裝置設(shè)計(jì)方案

2.3 術(shù)語定義

在進(jìn)行仿真結(jié)果分析之前，需要先定義研究過程中涉及到的關(guān)鍵性能參數(shù)。 考察進(jìn)氣畸變的性能指標(biāo)一般有AIP 截面的總壓恢復(fù)系數(shù)σ、總壓畸變系數(shù)DC60和穩(wěn)態(tài)畸變指數(shù)Δσ0。

(1) 總壓恢復(fù)系數(shù)σ

總壓恢復(fù)系數(shù)σ定義為:

(2) 總壓畸變系數(shù)DC60

畸變指數(shù)DCθ反映流場總壓周向分布的不均勻程度，定義為:

式中:qav是截面平均動(dòng)壓，(p*θ)min是周向角為θ時(shí)的扇形面內(nèi)平均總壓的最小值，θ角為60°時(shí)即為DC60。

(3) 穩(wěn)態(tài)畸變指數(shù)Δσ0

出口穩(wěn)態(tài)畸變指數(shù)Δσ0定義為:

3 實(shí)驗(yàn)方案

以上述設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果作為參考，加工了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停饕膶?shí)驗(yàn)部件包括進(jìn)口段、畸變段、測量段以及轉(zhuǎn)接段；實(shí)驗(yàn)測量段中，在AIP 截面上按照等環(huán)面積法設(shè)置了31 個(gè)總壓測點(diǎn)，并在管壁同一軸向位置處周向均勻布置了6 個(gè)靜壓測點(diǎn)。 測點(diǎn)布置如圖5 所示。 形成的最終整體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6 所示。 地面抽吸實(shí)驗(yàn)在南航的吸氣式風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，并利用課題組自編程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。

圖5 總壓測點(diǎn)分布示意圖

圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w示意圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對照

圖7 為數(shù)值仿真得到的總壓畸變值DC60沿流向各個(gè)截面的變化情況，可以看出:隨著流動(dòng)向下游發(fā)展，DC60衰減十分迅速，在3D 位置下游的各截面，已經(jīng)不能滿足畸變值連續(xù)變化的要求，因此，為了獲得連續(xù)、較大的DC60，且減小裝置的軸向長度，應(yīng)盡可能選取靠近畸變板的截面；但是，畸變板背風(fēng)面存在回流區(qū)，如果選取的截面放置在回流區(qū)內(nèi)，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，處于回流區(qū)內(nèi)的測點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確。選取扇形角最大的畸變板，觀察沿流向的流動(dòng)情況，如圖8 所示，可以看出，流動(dòng)沿流向到2D 位置，回流區(qū)已基本消失，扇形角小的畸變板其回流區(qū)更短，故采用2D 截面作為AIP 截面。

圖7 總壓畸變值DC60沿流向的變化

圖8 縱剖面流線圖

仿真結(jié)果顯示:在給定發(fā)動(dòng)機(jī)流量，各種扇形角、交錯(cuò)角組合狀態(tài)下，所選定的AIP 截面上DC60結(jié)果如表3 所列，可見，所設(shè)計(jì)的總壓畸變模擬裝置能實(shí)現(xiàn)DC60在較大范圍內(nèi)的連續(xù)變化。

表3 仿真模型AIP 截面畸變值

相對應(yīng)的，對在不同流量下、各角度畸變板及不同組合狀態(tài)、不同交錯(cuò)角進(jìn)行地面抽吸實(shí)驗(yàn)之后，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出各角度畸變板及不同組合狀態(tài)、不同交錯(cuò)角所對應(yīng)畸變值的關(guān)系，以及AIP截面上總壓圖譜。

這里以采用θ＝35°的畸變板，交錯(cuò)角變化范圍為Δθ＝0°～7.5°組合的實(shí)驗(yàn)為例。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示，由圖中我們可以觀察到:控制交錯(cuò)角步進(jìn)值分別為0.5°和1.5°，重復(fù)兩次實(shí)驗(yàn)，可知在Δθ＝0°～7.5°的范圍內(nèi)，畸變值并非全程保持線性變化，這和兩塊重疊的畸變板上的開孔率隨交錯(cuò)角變化而變化有關(guān)。但是DC60變化范圍與仿真結(jié)果對應(yīng)良好；而且可以看出，在本畸變板組合中，交錯(cuò)角Δθ在0°～3.5°區(qū)間內(nèi)，DC60與交錯(cuò)角Δθ有著良好的線性變化關(guān)系，說明能較為準(zhǔn)確地通過控制交錯(cuò)角Δθ來控制所需要的總壓畸變值DC60；同樣，對其他流量條件、其他畸變板組合條件進(jìn)行分析，得到了各工況下DC60關(guān)于交錯(cuò)角Δθ的變化情況。

圖9 總壓畸變值關(guān)于交錯(cuò)角Δθ 的變化情況

分別取交錯(cuò)角Δθ＝0°和Δθ＝7.5°，觀察并對比AIP 截面上的仿真總壓圖譜、仿真總壓圖譜插值后圖譜及實(shí)驗(yàn)總壓圖譜。

圖10 為仿真總壓圖譜，可以看出，氣流流經(jīng)畸變板后產(chǎn)生了和畸變板形狀大小相近的低壓區(qū)，并且畸變板的交錯(cuò)角Δθ越大，低壓區(qū)的范圍更大，低壓區(qū)的壓降也更大；此外流經(jīng)格柵后，氣流總壓分布被明顯分割為棋盤狀，格柵壁面下游總壓低，通道中心下游總壓高，這有可能對插值結(jié)果造成影響。

圖10 仿真總壓圖譜

圖11 為仿真總壓圖譜按實(shí)驗(yàn)中的測點(diǎn)位置插值后重新繪制的圖譜，可以看出，插值后的圖譜較好地還原出了畸變板產(chǎn)生的低壓區(qū)形狀，低壓區(qū)的壓降值較小，由于插值所取數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，所以棋盤狀的總壓分布特征被抹去，但是高壓區(qū)的壓力分布也比較均勻，高低壓區(qū)分辨明顯，可以認(rèn)為仿真總壓圖譜取點(diǎn)插值后重繪的圖譜較好地還原了仿真總壓圖譜，說明插值方法切實(shí)可行且有效，能進(jìn)一步地用于下一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中。

圖11 仿真總壓圖譜插值后圖譜

圖12 為實(shí)驗(yàn)中由總壓測點(diǎn)數(shù)據(jù)插值繪制的總壓圖譜，可見仿真總壓圖譜取點(diǎn)插值后重繪的圖譜與總壓測點(diǎn)數(shù)據(jù)插值繪制的總壓圖譜相比，高、低壓區(qū)分布區(qū)域及變化趨勢十分相似，高、低壓區(qū)部分的總壓值也十分相近，說明仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照良好，數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信且有效。

圖12 實(shí)驗(yàn)總壓圖譜

同樣，進(jìn)一步地對其他流量條件、其他畸變板組合條件進(jìn)行分析，得到了各個(gè)情況下的結(jié)果，結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對應(yīng)較好，能夠滿足工程應(yīng)用需要。

實(shí)驗(yàn)所得AIP 截面上，不同流量下，總壓畸變值DC60與不同畸變板組合、交錯(cuò)角Δθ的變化關(guān)系如圖13 所示。

圖13 不同流量下各總壓畸變值對應(yīng)畸變板組合狀態(tài)

5 結(jié) 論

以某型小發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，設(shè)計(jì)了一種總壓畸變值可調(diào)的總壓畸變模擬裝置，并利用CFD 技術(shù)對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化得出了一套能較為準(zhǔn)確產(chǎn)生所需總壓畸變的實(shí)驗(yàn)裝置，并對其進(jìn)行了吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，對數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，主要結(jié)論如下。

(1) 在文中設(shè)定的馬赫數(shù)下，為了保持高、低壓區(qū)的形狀，須采用格柵，且采用小通道為正方形、沿流向長度為0.3D、阻塞比為14.37%的整流格柵效果較好；AIP 截面設(shè)置在畸變板下游2D 位置所得數(shù)據(jù)能使總壓畸變值DC60不至于迅速衰減，且使結(jié)果較為準(zhǔn)確。

(2) 從仿真結(jié)果來看，畸變板下游產(chǎn)生了明顯的低壓區(qū)，且形狀和畸變板基本相似，由于格柵的影響，總壓分布情況為棋盤狀；由仿真結(jié)果插值而得來的總壓圖譜較好地還原了仿真結(jié)果，但是抹去了棋盤狀的總壓分布特征。

(3) 實(shí)驗(yàn)所得總壓圖譜無論是從數(shù)值上還是從總壓分布情況上來看，均與仿真結(jié)果插值而得來的總壓圖譜保持了較好的一致性，說明仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信且有效。

(4) 在給定的流量下，總壓畸變模擬裝置產(chǎn)生的總壓畸變值與交錯(cuò)角Δθ在一定范圍內(nèi)基本上呈現(xiàn)為線性變化，且所有組合產(chǎn)生的總壓畸變值覆蓋范圍較廣，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在試車狀態(tài)下連續(xù)調(diào)節(jié)畸變值的要求。