帶風扇葉片的短艙進氣道地面渦數(shù)值仿真

2018-08-10 07:28:38蔡明軒周詩睿

重慶理工大學學報(自然科學) 2018年7期

王成，李博，蔡明軒，周詩睿

(南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

地面渦是一種危害飛機發(fā)動機安全的自然現(xiàn)象。當飛機發(fā)動機在近地面工作時，空氣從四面八方進入進氣口。由于發(fā)動機貼近地面，貼地的氣流受到限制，形成一股上升氣流，因而形成了地面渦現(xiàn)象。而地面的粉塵、顆粒物等隨之被夾帶進入進氣道，進而可能會損壞風扇葉片、壓氣機葉片等。地面渦還會造成氣流總壓損失，降低進氣道總壓恢復系數(shù)，同時流場畸變指數(shù)也會增加，使得風扇截面處氣流攻角發(fā)生變化，降低風扇效率和推力，同時降低壓氣機的失速裕度和喘振裕度。

地面渦一旦形成，在入口流場中必存在渦量，最基本的3個渦量來源分別為：誘導速度和地面之間產(chǎn)生的渦量[1]、來流邊界層產(chǎn)生的渦量和短艙外壁面繞流產(chǎn)生的渦量[2]。這些渦量來源又與來流角度和速度比有關[3]。而決定地面渦強度的2個參數(shù)分別是進氣道距地面高度和進氣道入口速度與來流速度比[4]。

1982年，De Siervi等[5]采用進氣道簡化縮比模型在水洞中進行模擬試驗，發(fā)現(xiàn)地面渦的形成與來流速比有關。1986年，趙光敏等[6]討論了風機水平放置并靠近地面工作時，產(chǎn)生地面渦的必要條件，對地面渦的生成機理及其旋轉方向做了分析。2005年，Andrei Secareanu[7]采用煙線和顆粒物作為流動可視化工具對地面渦進行了探究，發(fā)現(xiàn)地面渦與來流邊界層有關。2006年，Yoram Yadlin[8]通過數(shù)值模擬研究了一對發(fā)動機在順風和逆風下的渦系，結果表明：不論在順風還是逆風條件下，發(fā)動機與發(fā)動機之間、發(fā)動機與地面之間和發(fā)動機與機身之間都會產(chǎn)生渦。2008年，Ho[9]通過一直管來模擬發(fā)動機在側風條件下的地面渦生成情況。2011年，Vunnam[10]對HTF7000發(fā)動機短艙和機身一體化建模，采用非結構化網(wǎng)格模擬真實情況下的22個風扇葉片以及靜轉子系統(tǒng)。2012年，Trapp[11]對短艙簡化模型DLR-F6進行數(shù)值仿真研究，結果表明，地面渦的存在必須要有渦量，也就是必須要有黏性的存在，地面或短艙無滑移都會產(chǎn)生地面渦。2013年，Horvath[12]采用非定常研究地面渦的形成，發(fā)現(xiàn)單個地面渦形成過程中會出現(xiàn)多個小的地面渦，同時還常常伴隨有尾渦和二次渦。

圖1 地面渦現(xiàn)象

國外有關地面渦的研究已經(jīng)有接近50年的歷史，而國內相關研究還處于初步探索階段。由于國內外對于地面渦的研究大多數(shù)還只是局限在不帶風扇葉片的簡化模型上，因此本文針對側風來流條件研究加入真實發(fā)動機風扇葉片后短艙進氣道地面渦的生成情況，總結短艙進氣道在加入葉片后隨不同側風滑跑條件以及不同距地面高度下地面渦的特點和對發(fā)動機性能的影響，得到了地面渦變化規(guī)律，對短艙進氣道地面渦的預防[13]及應用具有一定的實際參考意義。

1 物理模型和網(wǎng)格

本文研究的模型為文獻[12]的短艙進氣道縮比模型。為了研究真實情況下進氣道出口處加入風扇葉片后的地面渦形成發(fā)展規(guī)律，本文排除其他干擾因素，只針對單獨短艙來進行研究，不考慮機身機翼的影響。

如圖2所示，短艙進氣道的內徑為160 mm，中徑為180 mm，外徑為200 mm，進氣道出口截面距離唇口前緣點70 mm，唇口型面為橢圓，長軸與短軸之比為2∶1，長半軸20 mm，短半軸10 mm。

圖2 不帶葉片短艙進氣道模型示意圖

本文采用的葉片為通用電氣公司研制的GE90發(fā)動機葉片，葉片數(shù)為22片，葉片示意圖如圖3所示。GE90葉片參數(shù)如表1所示，由于采用的短艙進氣道模型(圖4)內徑為160 mm，同時考慮到計算量的因素，因此將GE90葉片進行適當?shù)目s比，并減少葉片數(shù)為11片。

表1 GE90葉片參數(shù)

圖3 葉片示意圖

圖4 短艙進氣道示意圖

利用NUMECA旗下的Hexpress軟件對計算模型進行非結構網(wǎng)格劃分，采用六面體網(wǎng)格單元進行填充，在唇口，短艙進氣道內、外壁面以及地面渦可能形成的區(qū)域(進氣道唇口下方)進行網(wǎng)格加密處理，附面層第1層網(wǎng)格高度為0.01 mm。如圖5所示，包含葉片的轉子域網(wǎng)格單元總量約為250 W，靜子域網(wǎng)格單元總量約為300 W，總網(wǎng)格單元總量在550 W左右。

圖5 六面體網(wǎng)格(h/Dl=0.25)

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計算方法

數(shù)值模擬研究所采用的計算軟件為FLUENT14.0，采用的計算控制方程為三維雷諾平均Navier-Stokes方程，時間離散選用了全隱式時間推進格式，空間離散采用了2階迎風格式，計算所采用的湍流模型為SSTk-ω模型。采用旋轉坐標系法(MRF)來模擬葉片的旋轉運動。

2.2 邊界條件設置

圖6為計算域示意圖，長方體區(qū)域大小為 3 000 mm(x)×2 000 mm(y)×5 000 mm(z)，其中灰色區(qū)域為地面，紅色箭頭指不同的來流方向，在FLUENT中設置為壓力遠場，短艙進氣道軸線為z軸。

圖6 計算域示意圖

表2為含有風扇葉片的FLUENT邊界條件類型，流體域分為包含葉片的轉動區(qū)域和靜子區(qū)域，兩者交界的3個面都設置為交界面(Interface)。葉片后的進氣道出口面的邊界條件設為壓力出口邊界，其中地面在側風滑跑狀態(tài)下為運動壁面，相應地在Fluent中進行設置。

表2 邊界條件類型

進氣道進口設計馬赫數(shù)為0.5，在地面標準大氣條件計算，葉片轉速按葉尖馬赫數(shù)為1.1，所得主要參數(shù)如表3所示。

表3 進氣道出口相關參數(shù)

2.3 術語定義

為了定量分析地面渦的強度，需要計算地面渦的環(huán)量Γ值，可得：

對地面渦環(huán)量進行量綱一化，可得到量綱一化環(huán)量Γ*：

其中：Dl為進氣道中徑；Vi為進氣道進口面平均速度。如果同時存在正環(huán)量和負環(huán)量的地面渦(地面渦的轉動方向相反)，則總環(huán)量的計算方法為

Γtotal=|Γ+|+|Γ-|

(3)

因為地面為無滑移邊界，因此渦量為零，對渦量進行分析需要創(chuàng)建一個參考面。根據(jù)Murphy[13]的結論，該截面距離地面的高度h滿足關系式：

其中Dl為進氣道中徑，該面即為文獻[13]中的PIV實驗測量平面，下文中命名該面為PIV截面。

側風滑跑時空氣相對短艙進氣道的運動速度為

V∞=Vg+Vw

(5)

其中:Vg為短艙進氣道的滑跑速度;Vw為逆風風速。

為了分析進氣道內流場的不均勻程度，衡量進氣道出口的氣流品質，需要計算流場的畸變指數(shù)。本文采用發(fā)動機常用的畸變指數(shù)DC60，其定義式為

3 算例校驗

算例校驗選取了Murphy[14-16]在Cranfield大學低速風洞中進行的地面渦風洞實驗。針對該風洞實驗模型進行數(shù)值仿真，將數(shù)值仿真結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，以驗證本文計算的有效性。

選取距地面高度h/Dl=0.25的短艙進氣道實驗模型，分別計算5種側風來流條件：V∞=10、15、20、25、30 m/s。表4為5種不同側風來流條件下得到的DC60值。將數(shù)值仿真結果與地面渦實驗結果進行分析對比，根據(jù)表3繪制圖7。從圖7中可以看出，DC60數(shù)值仿真結果與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同，吻合度較好。

表4 不同來流條件下的CFD結果

圖7 DC60的實驗結果和CFD結果對比

4 計算結果分析對比

為了能夠更加清晰地認識加入風扇葉片后地面渦以及短艙進氣道性能的變化，首先針對h/Dl=0.25的短艙進氣道模型分別在純側風(短艙無滑跑速度)來流速度10、20、30和40 m/s的條件下探究不同的側風來流速度對地面渦的影響；然后保持側風速度Vw一定，在地面滑跑速度Vg分別為10、20、30和40 m/s下分析滑跑速度對地面渦的影響；最后再針對短艙進氣道模型分別在距地面高度為h/Dl=0.25、0.4、0.6(Dl不變，改變h)下研究不同距地面高度對地面渦生成以及短艙進氣道性能的影響。

圖8為側風滑跑時的速度示意圖，圖中的流線為PIV截面的二維流線。需要模擬的側風速度為10 m/s，滑跑速度為10 m/s，因此地面邊界給定的速度大小為10 m/s，方向沿著z負方向。遠場來流給定的速度大小為10 m/s，方向沿著x正方向。此時的側風速度為這2個速度的矢量合成，大小為14.14 m/s。

圖8 側風滑跑時速度示意圖

由于加入風扇葉片后取代了不加風扇葉片的進氣道出口截面，所以這里將葉片前0.05倍直徑處的截面(交界面)當作進氣道出口面，以此截面來分析進氣道出口的畸變，圖9為進氣道出口示意圖。

圖9 進氣道出口示意圖

圖10為葉片表面壓力示意圖，從圖中可知葉片的迎風面是低壓區(qū)，背風面是高壓區(qū)，從而形成了向前的推力。

圖10 葉片表面壓力示意圖

4.1 側風條件下不同來流速度分析

本小節(jié)主要研究在地面無滑跑條件下的側風來流速度對地面渦生成的影響，選取的短艙進氣道模型為h/Dl=0.25，遠場來流速度分別為Vw=10、20、30和40 m/s。

圖11顯示的是PIV截面y方向渦量分布等值云圖。對于前2種來流狀態(tài)，從云圖上可以看到非常明顯的高渦量區(qū)，局部渦量最高可達20 000 m2/s。當來流速度V∞達到30 m/s之后，高渦量集中區(qū)開始變得不明顯，并且出現(xiàn)了一正一負2個地面渦，此時2個地面渦的旋轉方向相反，說明隨著來流速度的增加，原先高渦量集中的地面渦由于受到側風來流的干擾被吹散成2個旋轉方向相反的地面渦，此時的地面渦強度弱于高渦量集中的地面渦。

圖11 PIV截面渦量分布等值云圖

圖12為葉片前0.05倍直徑處的總壓分布等值云圖。對于前2種來流狀態(tài)，由于地面渦的集中造成了進氣道內一個圓形區(qū)域的總壓損失區(qū)，當來流速度達到V∞=30 m/s之后，圓形總壓損失區(qū)域不明顯。4種側風來流條件下在截面的背風面上都存在“月牙形”流動分離區(qū)，并且隨來流速度的增加而增大。

圖12 葉片前0.05倍直徑處總壓示意圖

圖13為葉片后0.05倍直徑處總壓分布等值云圖。從圖中可以看出：氣流經(jīng)過葉片后會在葉尖處形成明顯的總壓損失區(qū)域，也會在葉根處形成局部的總部的總壓損失，并且扇形總壓損失區(qū)域基本呈對稱分布。隨來流速度的增加，背風面處的扇形總壓損失會逐漸減弱。

4.2 不同滑跑速度分析

本小節(jié)主要研究在遠場來流條件一定的情況下滑跑速度對地面渦生成以及進氣道性能的影響，選取短艙進氣道模型為h/Dl=0.25模型，遠場來流速度選取Vw=10 m/s，滑跑速度分別為Vg=10、20、30和40 m/s。

圖14顯示的是滑跑條件下的地面渦流線圖。當?shù)孛婊芩俣葹?0 m/s和20 m/s時，在進氣道和地面之間存在地面渦，同時在進氣道上方下游形成尾渦。滑跑速度達到30 m/s時，在進氣道和地面之間依然存在地面渦，不過此時的地面渦較弱。當滑跑速度達到40 m/s時，地面渦消失。

圖13 葉片后0.05倍直徑總壓分布等值云圖

圖14 地面渦流線圖(Vg=10 m/s)

圖15顯示的是PIV截面y方向渦量分布云圖。從圖中可以看出：當遠場來流速度一定時，地面渦的渦心會隨著滑跑速度的增加而向進氣道的下游背風面移動。當滑跑速度達到40 m/s時，地面渦消失。

圖16為進氣道葉片前0.05倍直徑處總壓分布等值云圖。觀察圖16可以發(fā)現(xiàn)：此時流場較為均勻，畸變程度較小。總壓損失區(qū)域主要是由地面渦集中造成的一個圓形的損失區(qū)域，分布在流場截面的背風面處。當滑跑速度達到40 m/s時，圓形的總壓損失區(qū)域消失。

圖15 PIV截面渦量分布等值云圖(Vw=10 m/s)

圖16 葉片前0.05倍直徑處總壓示意圖(Vw=10 m/s)

4.3 側風條件下不同距地高度分析

本節(jié)主要研究不同的距地面高度對地面渦的影響。側風來流速度為Vw=10 m/s，地面無滑跑(Vg=0 m/s)，距地面高度h/Dl分別為0.25、0.4和0.6。

圖17顯示的是PIV截面y方向渦量分布等值云圖。由對比可知：隨著短艙進氣道距地面高度h/Dl的增加，地面渦向下游移動，地面渦強度也逐漸減弱，同時高渦量區(qū)中心的最大渦量值逐漸減小，當距地面高度h/Dl=0.6時，高渦量區(qū)已經(jīng)不明顯。

圖17 PIV截面渦量分布等值云圖

圖18顯示的是葉片前0.05倍直徑處截面馬赫分布等值云圖。從圖中可發(fā)現(xiàn)：對于距地面高度h/Dl=0.25時，由于地面渦的集中使得葉片前的截面上出現(xiàn)圓形的低速區(qū)；而當h/Dl=0.4時，圓形的低速區(qū)域向下游移動并且低速區(qū)不明顯；當h/Dl=0.6時，低速區(qū)域消失，流場分布變得較為均勻。

圖18 葉片前0.05倍直徑處總壓分布等值云圖

4.4 計算結果分析

圖19為Γ*隨Vi/V∞的變化曲線，圖中的不同計算狀態(tài)分別為無風滑跑、10 m/s滑跑和20 m/s滑跑、純側風狀態(tài)(僅有側風，短艙無運動)。對于純側風狀態(tài)，隨著速度比增加，量綱為一環(huán)量Γ*先增加后減小。而在地面滑跑10 m/s和地面滑跑20 m/s狀態(tài)，Γ*隨著速比的增加而增加。而無風滑跑狀態(tài)的地面渦只在較大速度比條件下存在。當速度比相同時，純側風條件下的Γ*最大，無風滑跑狀態(tài)Γ*最小。

圖19 地面渦Γ*隨Vi /V∞變化曲線(h/Dl=0.25)

圖20為葉片前0.05倍直徑截面處的DC60值隨側風來流速度變化曲線，此時的短艙進氣道與地面之間沒有相對速度。從圖中可以看出：當距地面高度一定時，DC60值會隨著來流速度的增加而增加，且在來流速度V∞=10 m/s的DC60值遠遠小于其他來流條件下的值。經(jīng)對比還可發(fā)現(xiàn)：當側風來流速度一定時，隨著短艙進氣道距地面高度的增加，地面渦逐漸減弱直至消失，截面上的總壓損失逐漸降低，所以DC60值隨著距地面高度的增加而降低。

圖20 DC60隨來流速度變化曲線(純側風)

圖21為總壓恢復系數(shù)σ隨側風來流速度變化曲線。從圖中可以看出：當短艙進氣道距地面高度一定時，由于側風條件下進氣道背風面流動分離區(qū)域會隨著側風來流速度的增加而增大，所以總壓恢復系數(shù)σ隨著側風來流速度的增加而降低。對比還可發(fā)現(xiàn)：當側風來流速度一定時，隨著距地面高度的增加，地面渦逐漸減弱直至消失，進氣道內的圓形總壓損失區(qū)域逐漸消失，所以總壓恢復系數(shù)隨著距地面高度的增加而增加。