地面渦對進發匹配的影響

李超東，寧方飛，賈新亮

(北京航空航天大學能源與動力工程學院航空發動機氣動熱力國家重點實驗室，北京100191)

1 引言

進氣道和發動機是飛機推進系統的兩大主要部件。進氣道不但要給發動機提供相匹配的空氣流量，還要保證氣流的品質，從而確保整個飛行包線內發動機有足夠的可用穩定裕度[1]。為此，在飛機推進系統研制的各個階段，都需要進行進發匹配(進氣道-發動機相容性)的穩定性評估。

影響進發穩定性的降穩因子很多，其中進氣總壓畸變、總溫畸變、旋流畸變對發動機穩定性的影響起主導作用。特定情況下，進氣道前生成的地面渦往往會帶來上述畸變，甚至會破壞發動機的結構完整性，因此地面渦成為不可忽略的降穩來源[2-3]。

自噴氣推進技術應用以來，地面渦問題就一直伴隨著飛機。當飛機在地面靜止或滑行時，一定條件下，進氣道前形成的地面渦會改變流場結構，帶來總壓畸變，甚至會有異物被地面渦卷入進氣道而造成發動機外物損傷。因此，研究地面渦對于增強飛機安全性、提高推進性能具有重要意義[4]。

本文基于數值模擬，建立大涵道比發動機吊艙模型，應用自編網格生成程序劃分計算網格，開展幾種條件下地面渦的模擬，總結針對地面渦的模擬方法及地面渦的生成和發展規律。

2 計算模型

進氣道模型以CFM56大涵道比渦扇發動機為原型，采用一種簡單的吊艙設計方法，所需關鍵參數見表1，生成的吊艙模型見圖1。

表1 吊艙設計參數Table 1 Nacelle parameters

圖1 吊艙模型Fig.1 Nacelle model

3 網格生成

為便于針對不同幾何模型的網格生成，方便將來的吊艙設計，采用自編的自動化程度較高的網格程序，對發動機吊艙進行建模和網格劃分。

為保證氣動模擬質量，采用了結構化分區多塊網格。每個分區網格，又采用了代數網格生成方法。發動機吊艙網格拓撲結構為：吊艙壁面附近用C網格，吊艙內部的進氣道和尾噴管以及外流區域用O網格，其余流場為H網格。輸入文件有輪廓線文件，控制文件包括計算域大小、各網格塊的網格點數及加密程度。需注意的是，地面渦模擬中，吊艙壁面和地面都需要足夠的網格密度才能保證模擬的準確性[5]。利用自編網格生成程序對模型進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 計算網格Fig.2 Mesh for computation

分別采用450萬、800萬、1 000萬三套網格，驗證網格對計算的影響。結果表明，450萬網格不能分辨迎風小風速下形成的地面渦；綜合比較圖3中靜止無風情況下800萬、1 000萬兩套網格計算所得近地截面上的靜壓分布和三維流線圖，發現800萬網格已能分辨地面渦結構。結合計算機的計算能力，文中選擇800萬網格進行計算。

4 模擬結果

4.1 地面渦成因及無風下的結構

被發動機吸入的進氣道遠前方來流面積稱為捕獲面積，流過的區域稱為進氣流管。根據流量守恒定律，對于不同的發動機工作條件(由下標0代表)，捕獲面積為：

圖3 800萬和1 000萬網格時的靜壓分布及三維流線圖Fig.3 Calculation results for different grid

在特定大氣條件和飛機地面滑行速度下，發動機進氣流量增加，則進氣道捕獲面積增加。當發動機流量一定時，飛機滑行速度越小，則進氣道捕獲面積越大。而捕獲面積增大到一定程度時，進氣流管與地面相交，這是形成地面渦的必要條件之一[6-7]。研究表明，地面邊界層對地面渦的形成起著重要作用。迎風情況下，進氣流管內的空氣加速向后流動，吊艙正下方一部分空氣在壓力梯度作用下會倒流，同時左右兩側空氣會在壓力梯度作用下向進氣道中心方向流動，因此周圍的空氣匯聚于此，形成點匯，然后被吸入進氣道。由于地面邊界層渦量的存在，在一定條件下，點匯周圍的空氣會形成地面渦。

圖3(a)給出了無風環境中發動機進氣流量為最大設計流量時，在吊艙前生成的地面渦的靜壓分布和三維流線圖。從圖中三維流線圖可清晰看到，此時生成了一對地面渦，且兩個渦的旋轉方向相反，左邊為逆時針，右邊為順時針；從圖中地面渦區域的靜壓分布可發現，靜壓降低并不明顯，畸變較小，表明此時渦強度較弱。

4.2 迎風下的地面渦結構及影響

實際環境下，通常存在大氣風速，按適航規定，機場允許放飛的風速均不太高，所以這里主要討論小風速下形成的地面渦。

當迎風風速為5 m/s時，也生成了一對地面渦，渦結構與無風情況下的相同，如圖4所示。取離地1 cm的截面作靜壓分布云圖，此時可在地面渦區域看見明顯的低壓區，表明地面渦的強度有所增加，畸變也在變大。

圖4 迎風風速為5 m/s時的靜壓分布及三維流線Fig.4 Static pressure distribution and 3D streamlines when U∞=5 m/s

圖5 為進氣道出口的總壓分布，最外面一圈低壓區是因為在非設計狀態下氣流繞過進氣道前緣在擴張段內分離導致，這可能是進氣唇口設計不合理所致。雖然如此，也未能掩飾地面渦帶來的總壓畸變。渦中心總壓虧損約3%，周向影響范圍約20°。

圖5 迎風風速為5 m/s時進氣道出口總壓分布Fig.5 Total pressure distribution of the outlet when U∞=5 m/s

圖6 顯示，進氣道出口氣流明顯偏離軸向的區域主要集中在壁面附近，這是因進氣道氣流分離所致；地面渦帶來的氣流周向偏轉角很小，是因為地面渦本身較弱，且在輸運途中由于粘性耗散而進一步減弱的緣故。但當來流風速增加時，地面渦加強，可能會帶來明顯的氣流偏轉。

4.3 側風下的地面渦結構及影響

更為一般的大氣條件是來流不會恰好正對著進氣道，而是具有一定的偏轉角度，有時達到完全側風甚至順風狀態。根據適航規定，該氣象條件下，容許的風速均不會太高，這里選擇側風風速10 m/s下的地面渦生成情況作討論。

圖6 迎風風速為5 m/s時進氣道出口周向氣流角分布Fig.6 Circumferential flow angle distribution of the outlet when U∞=5 m/s

從圖7中可看出，當風速為10 m/s、以-90°吹向吊艙時，形成了強烈的地面渦，渦中心最低靜壓值低于外界5%左右(約5 000 Pa，相當于可吸入1 cm3、質量約50 g的物體)。該壓差下，附近的一些異物有可能卷入地面渦，然后隨氣流吸入發動機，造成外物損傷。相比迎風來流，在較低側風風速下就會形成更為強烈的地面渦。因此，側風情況下吸入異物的潛在威脅和畸變影響將會更大。

圖7 速度10 m/s、-90°側風下的靜壓分布及三維流線Fig.7 3D streamlines and static pressure distribution in crosswind when U∞=10 m/s

從圖8中總壓分布可看出，在側風影響下，進氣道內出現了嚴重的流動分離，使得進氣道出口存在大面積的低壓區，畸變范圍很廣，并且在地面渦的影響區域，造成了8%的總壓虧損。

從圖9中周向氣流角的分布可清楚發現，在地面渦影響區域，進氣道出口氣流的最大周向偏轉達到-16°～16°，風扇葉片每旋轉一周經過該區域時，攻角將會改變，偏離設計點，使得出口流場、做功能力、流動損失等發生變化，甚至造成局部分離或失速。此外，風扇周期性地通過這類非均勻流場，會受到周期性激勵而加速疲勞，不利于提高發動機的壽命和安全性[8]。

圖8 速度10 m/s、-90°側風進氣道出口總壓分布Fig.8 Total pressure distribution of the outlet in crosswind when U∞=10 m/s

圖9 速度10 m/s、-90°側風下周向氣流角分布Fig.9 Circumferential flow angle distribution in crosswind when U∞=10 m/s

以上分析表明，地面渦的影響除對地面異物的卷吸外，還會造成風扇進口來流的總壓損失和旋流畸變，從而對風扇的氣動性能和穩定性造成影響。

5 結論

本文利用數值模擬方法，對無風、迎風、側風情況下生成的地面渦的流場結構及其影響進行了初步研究。結果表明，地面渦結構形式不一，根據風速的不同有對渦和單渦之分。不同風速下地面渦的強度不一，帶來的影響也不同。在5 m/s的迎風情況下，在進氣道出口截面渦中心帶來約3%的總壓虧損；在-90°、10 m/s的側風情況下，近地面造成渦中心區域約5%的靜壓差，在進氣道出口截面渦中心造成約8%的總壓虧損，氣流的最大周向偏轉達-16°～16°。這些畸變都會直接改變當地風扇工作點，對風扇產生周期性激勵。以上研究結果可為地面渦防范提供參考。

另外，地面渦對異物的卷吸除靜壓差的影響外，還涉及到運動氣流的沖擊，需做進一步研究；本文暫未考慮飛機滑行(吊艙也向前運動)，對于此情況下的地面渦生成和結構也需做更多研究。

[1]劉大響.航空燃氣渦輪發動機穩定性設計與評定技術[M].北京：航空工業出版社，2004.

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