變循環發動機雙外涵匹配研究

韓 佳，孫立業，張躍學

變循環發動機雙外涵匹配研究

韓 佳，孫立業，張躍學

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

針對帶核心機驅動風扇的雙外涵變循環發動機，提出了1種用于雙外涵匹配分析的數值模擬方法。利用計算流體力學Fluent軟件對其初步流路進行了研究及優化，在此基礎上對雙外涵模式流場、不同前涵道引射器狀態下的單外涵模式流場進行分析。結果表明：第1外涵道的角度和流通面積對總壓恢復系數的影響較大；在由雙外涵模式轉換到單外涵模式過程中，應將前可變面積涵道引射器開到最大以減小總壓損失。該方法能夠有效地應用于雙外涵變循環發動機流路優化及雙外涵匹配分析，為變循環技術的深入研究提供參考。

雙外涵；單外涵；模式選擇閥；變循環發動機；數值模擬

0 引言

對于變循環發動機（Variable Cycle Engines，VCE），可以通過調整其部件的幾何形狀、尺寸和位置，改變其循環參數，使得在亞聲速、跨聲速和超聲速等不同狀態下具有良好的性能[1-3]。20世紀60年代[4]，美國研制了雙外涵帶核心機驅動風扇（CDFS）的F120發動機[5-7]，同期多國提出了不同的變循環發動機概念。

穩定快速地實現模式轉換是保證變循環發動機正常工作的關鍵，其涉及部件的調節規律和涵道之間的流動匹配[8-11]。在進行帶CDFS的雙外涵變循環發動機的外涵流場數值模擬時，若將風扇、CDFS及雙外涵聯算，將極大地增加計算難度；若單純地去掉旋轉部件，其涵道內的流動狀態又不易保證。

本文提出了1種用于變循環發動機雙外涵匹配分析的數值模擬方法，包括給定計算域的簡化及邊界條件，并應用該方法研究雙外涵變循環發動機的流動匹配。通過對初步流路進行優化，分析VCE在雙外涵和單外涵不同工作模式下的流場特性。

1 研究方法

1.1 物理模型

雙外涵變循環發動機初步流路如圖1所示。圖中CDFS和風扇出口通向外涵的氣流通道分別稱為第1、2外涵道。變循環發動機在雙外涵模式工作時，模式選擇閥開啟，氣流由第1、2外涵道進入外涵；在單外涵模式工作時，模式選擇閥關閉，氣流僅通過第1外涵道進入外涵。

圖1 雙外涵變循環發動機初步流路

1.2 數學模型

根據Boussinesq渦黏假設，忽略質量力的可壓縮黏性氣體N-S方程組[12]

式中：I=（δij），為單位張量；Γ為黏性應力張量；ρ為密度；u→為速度矢量；p為壓力；E為單位質量流體總能量為熱流矢量；t為時間。

湍流模型采用標準k-ε模型[12-13]，其湍動能k和耗散率ε為

式中：Gk、Gb分別為由平均速度梯度和浮力影響引起的湍動能；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε和 C3ε為常數；σk和 σε分別為湍動能與耗散率的湍流普朗特數。

湍流黏性系數為

1.3 計算域及網格劃分

由于本文著重研究雙外涵的流動匹配，不考慮旋轉部件的流場特性，因此對初步流路進行簡化，如圖2所示。選取計算域為圖中黑色實線部分，從風扇出口取到外涵中間遠離前可變面積涵道引射器（前VABI）的位置，以及內涵高壓壓氣機的入口位置，將計算域邊界適當延長以滿足計算精度要求。CDFS簡化為cdfsin及cdfsout2個邊界，其中cdfsin為靜壓出口邊界，將CDFS入口的總溫賦予cdfsin邊界，調節cdfsin的靜壓使得該邊界的流量滿足CDFS入口預期流量；cdfsout為總壓入口邊界，將CDFS出口的總壓和總溫賦予cdfsout邊界。將前VABI簡化為1個可變角度的閥門。

圖2 計算域的簡化

采用6面體網格對3維計算域進行網格劃分，如圖3所示。經過網格無關性檢驗，數量分別為50萬、100萬以及150萬時，計算結果相差在1.5%之內，因此選取50萬網格進行計算。采用Fluent6.3 3D求解器進行求解。

圖3 3維計算域的網格劃分

2 流路分析

初步流路往往不能滿足預期流動狀態的要求，對單外涵模式的初步流路進行評估分析，并修改優化中介機匣、內涵流路以及第1外涵道的流路，以保證流動狀態滿足預期要求。

以單外涵模式發動機各截面的參數為輸入，保證風扇出口、CDFS入口、CDFS出口的總壓、總溫和馬赫數與變循環發動機的預期參數一致。邊界條件如圖4所示。在計算時，分別調整cdfsin、outlet1和outlet2的靜壓，使得各流路的流量達到預期值。

2.1 初步流路的分析

根據初步流路所建立的單外涵計算域模型命名為small0模型，其總壓、靜壓和流線如圖5所示。從圖中可見，第1外涵道處的總壓梯度較大，且在其左壁面附近存在低速分離區，流線向右側壁面匯聚。計算結果表明第1外涵道總壓恢復系數為0.823。

圖4 邊界條件

圖5 模型small0的流場分布

計算結果表明模型small0的各特征截面馬赫數比預期值高，與預期的流動狀態不一致。為了對預期狀態下的雙外涵進行匹配分析，就要對初步流路進行優化，使總壓恢復系數、馬赫數與預期值一致，從而保證流態相似[14-15]。

2.2 中介機匣及內涵流路的優化

結合氣動參數與馬赫數的關系[15]，根據預期值計算出各特征截面的尺寸大小，得到模型small1。根據small1各特征截面馬赫數的數值模擬結果與預期值對比，再次修改流路得到small2，如圖6所示。

圖7 給出了3個流路模型的馬赫數分布。從圖中可見，small2的各特征截面馬赫數與預期值基本一致，因此后續研究以small2的流路為基礎。

圖7 3個流路模型的馬赫數分布

2.3 第1外涵道流路的優化

通過以上分析得出，初步流路的第1外涵道總壓恢復系數過小，與發動機工作要求相差較大。在模型small2的基礎上對第1外涵道流路的不同形式進行建模。模型small2為初步的第1外涵道模型，small3是在small2基礎上將第1外涵道流路與軸線方向的角度改為30°，small4是在small2基礎上將流路角度改為20°，small5是在small2基礎上將第1外涵道流路夾角改為20°且保證第1外涵道的壁面距離與small2的相當，如圖8所示。

圖8 第1外涵道流路不同形式模型對比

在前VABI面積開到最大的情況下進行計算得出，在單外涵模式下，第1外涵道的流路形式僅對外涵流場有較大影響。不同模型的第1外涵道總壓恢復系數如圖9所示。從圖中可見，不同角度和壁面距離對第1外涵道的總壓恢復系數影響較大。第1外涵道總壓恢復系數越大，越有利于發動機的總體性能，其中small5的第1外涵道總壓恢復系數達到0.964，此時第1外涵道與軸線夾角為20°。因此，后續研究以模型small5為基礎進行。

圖9 不同模型的第1外涵道總壓恢復系數

3 雙外涵模式流場分析

為研究雙外涵向單外涵模式轉換過程中，前涵道引射器不同面積大小對流場的影響，首先需要確定出雙外涵時前涵道引射器的面積，即模式轉換時的初始面積。將可變面積的前VABI簡化為1個可變角度的閥門，閥門角度的改變將影響其出口的面積。基于上述簡化，確定了雙外涵模式下前VABI閥門的角度，并對雙外涵模式流路的流場進行分析。

3.1 邊界條件

以單外涵模型small5的流路為基準流路，建立雙外涵模型big0。其邊界條件如圖10所示。設cdfsin、outlet1和outlet2為靜壓出口。從圖中可見，計算時通過調整靜壓，來保證inlet、cdfsout和outlet2的流量與預期值相等。通過調整前VABI開關角度和改變前VABI的面積，使得outlet1和cdfsout達到預期流量。

圖10 邊界條件

3.2 前VABI面積的確定

為使outlet1和cdfsout達到預期流量，改變前VABI閥門的角度，建立了不同模型，如圖11所示。從圖中可見，模型big0的前VABI閥門與發動機軸向夾角為 0°，模型 big1、big2 和 big3 分別為 -20°、-15°和-17°。計算結果表明：模型big3的各邊界與預期的流量基本一致。因此可以確定雙外涵時前VABI閥門位置與軸線夾角為-17°。

圖11 不同前VABI閥門角度的模型

3.3 流場分析

模型big3的流場分布如圖12所示。第1外涵道出口處總壓梯度較大，摻混截面總壓與CDFS出口總壓的比值為0.819；經過中介機匣進入第2外涵道的氣流流動存在明顯的逆壓力梯度區，但流線圖顯示，該氣流并沒有發生分離和回流。

圖12 模型big3流場分布

4 單外涵模式流場分析

基于以上分析，優化了單外涵模式發動機中介機匣、內涵流路以及第1外涵道的流路，確定了前VABI閥門的角度。以單外涵模型small5的流路為基礎，分2種情況分析了變循環發動機單外涵模式下流路的流場：在雙外涵向單外涵模式轉換時，前VABI的面積不變的情況；前VABI面積開到最大的情況。

在前VABI面積不變時單外涵模式下流路的壓力分布如圖13所示。中介機匣和第1外涵道的總壓恢復系數分別為0.986和0.671。該種情況下第1外涵道總壓損失過大。

在前VABI面積最大時單外涵模式下流路的壓力分布情況如圖14所示。中介機匣和第1外涵道的總壓恢復系數分別為0.986和0.964。

圖13 單外涵模式下流路的壓力分布（前VABI面積不變）

圖14 單外涵模式下流路的壓力分布（前VABI面積最大）

5 結論

（1）第1外涵道的流通面積越大、與軸向的角度越小，其總壓損失越小。在單外涵模式下，第1外涵道壁面距離與初始流路相當且與軸線夾角為20°時，總壓恢復系數可達0.964。

（2）在由雙外涵模式到單外涵模式轉換過程中，前VABI面積不變時，前VABI處壓力損失過大，因此單外涵模式下應將前VABI面積開到最大以減小總壓損失。

該數值模擬方法及研究思路可用于變循環發動機的流路優化及雙外涵匹配分析，為深入研究變循環技術提供參考。

[1]劉洪波,王榮橋.變循環發動機總體結構和模式轉換機構研究[J].航空發動機，2008，34（3）：1-5.LIU Hongbo，WANG Rongqiao.Investigation of general structure and mode transition mechanism of variable cycle engine[J].Aeroengine，2008，34（3）：1-5.(in Chinese)

[2]LIU Zhigang，FANG Xiangjun,LIU Siyong,et al.Design and analysis of HP-turbine for variable cycle engine[C]//Proceedings of ASME Turbo Expo,UK:ASME Press，2010.

[3]張躍學，李斌，張軍峰,等.高推重比航空發動機部件匹配研究[J].航空發動機，2012，38（1）：13-16.ZHANG Yuex ue，L I Bin，ZHANG Junfeng，et al.Investigation on component matching of high thrust-weight ratio aeroengine[J].Aeroengine,2012，38（1）：13-16.(in Chinese)

[4]劉增文，王占學，黃紅超,等.變循環發動機性能數值模擬[J].航空動力學報，2010，25（6）：1310-1315.LIU Zengwen，WANG Zhanxue，HUANG Hongchao，et al.Numerical simulation on performance of variable cycle engines[J].Journal of Aerospace Power，2010，25（6）：1310-1315.(in Chinese)

[5]茍學中,周文祥，黃金泉.變循環發動機部件級建模技術[J].航空動力學報，2013，28（1）：105-111.XUN Xuezhong，ZHOU Wenxiang，HUANG Jinquan.Component-level modeling technology for variable cycle engine[J].Journal of Aerospace Power，2013，28（1）：105-111.(in Chinese)

[6]方昌德.變循環發動機及其關鍵技術[J].國際航空，2004（7）：49-51.FANG Changde.Variable cycle engine and its key technologies[J].International Aviation，2004（7）：49-51.(in Chinese)

[7]Vyvey P,Bosschaerts W.Study of an air-breathing variable cycle engine[C]//47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit.California：AIAA Press，2011.

[8]劉增文，王占學，蔡元虎.變循環發動機模態轉換數值模擬[J].航空動力學報，2011，26（9）：2128-2132.LIU Zengwen，WANG Zhanxue，CAI Yuanhu.Numerical simulation on bypass transition of variable cycle engines[J].Journal of Aerospace Power，2011，26（9）：2128-2132.(in Chinese)

[9]張榮，葉志鋒，薛益春.變循環發動機模式轉換調節計劃仿真研究[J].測控技術，2011，30（2）：47-50.ZHANG Rong,YE Zhifeng,XUE Yichun.Simulation research on adjustment plan to mode transition of variable cycle engine[J].Measurementand Control Technology，2011，30（2）：47-50.(in Chinese)

[10]李志剛，陶增元，李劍.變幾何部件對發動機性能的影響分析[J].航空發動機，2005，31（2）：6-7.LI Zhigang，TAO Zengyuan，LI Jian.Effects of variable geometry components on engine performance[J].Aeroengine,2005，31（2）：6-7.(in Chinese)

[11]王元，李秋紅，黃向華.變循環發動機建模技術研究[J].航空動力學報，2013，28（4）：954-960.WANG Yuan，LI Qiuhong，HUANG Xianghua.Research of variable cycle engine modeling techniques[J].Journal of Aerospace Power，2013，28（4）：954-960.(in Chinese)

[12]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用 [M].北京：清華大學出版社，2004：1-30.WANG Fujun.Computational fluid dynamics analysis-principle and application of CFD[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004：1-30.(in Chinese)

[13]WANG Zhongyi，HAN Jia，SUN Tao，et al.The effect and application of different turbulence models on the design of inertial stage[J].Advanced Materials Research，2011，230（1）：405-409.

[14]ZHU Rongkai，ZHENG Qun，YUE Guoqiang，et al.Researches of similitude theory for axial flow helium compressor[C]//Proceedings of ASME Turbo Expor.Germany：ASME Press，2008.

[15]王新月.氣體動力學基礎[M].西安：西北工業大學出版社，2006：178-302.WANGXinyue.Fundamentalsof gasdynamics[M].Xi’an：Northwestern Polytechnical University Press，2006：178-302.(in Chinese)

Study on Double Bypass Matching of Variable Cycle Engines

HAN Jia,SUN Li-ye,ZHANG Yue-xue
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Aiming at the double bypass matching on a variable cycle engine with coreengine driven fan stage,a numerical simulation method was presented.An initial flowpath of variable cycle engine were analyzed and optimized by a CFD sofiware Fluent.The flow fields of doubleand singlebypassmodewith differentfrontvariableareabypassinjectorswereanalyzed.Theresultsshowthat theangleand areasof the first bypass has observably influence on total pressure recovery coefficient.The front variable area bypass injector should be opened as big as possibletodecreasethetotal pressurelosswhen shift thedoublebypassmodetothesinglebypassmode.Thenumerical simulation can be used in flowpath optimization and doublebypassmatchinganalysis.Thisstudy providesareferencefor further study on thevariablecycletechnology.

double bypass;single bypass;mode selection valve;variable cycle engine;numerical simulation

V211.45

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.010

2013-08-07 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

韓佳（1987），男，工程師，從事航空發動機總體性能設計工作；E-mail：hanjiayx@163.com。

韓佳，孫立業，張躍學.變循環發動機雙外涵匹配研究[J].航空發動機，2015,41（1）:53-57.HAN Jia，SUN Liye，ZHANGYuexue.Study on doublebypassmatchingof variablecycleengine[J].Aeroengine，2015,41（1）:53-57.

（編輯：肖磊）