變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)多涵道高隱身排氣系統(tǒng)的氣動(dòng)研究

吳瓊，余祖潮，竇健

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)是通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)部件的幾何尺寸及位置，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)變化的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

國(guó)外于20世紀(jì)70年代就開展了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究，如美國(guó)開展單涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)[2-4]、雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)GE21[5-6]、F120發(fā)動(dòng)機(jī)、第四代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可控壓比發(fā)動(dòng)機(jī)(COPE)[7]、新一代三流道自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(ADVENT)[8]等實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究也逐漸受到關(guān)注。國(guó)內(nèi)研究[9-11]主要集中在VCE的總體性能方面，對(duì)部件級(jí)的研究較少，其主要原因在于VCE具有多工作模態(tài)、多流道調(diào)節(jié)等變循環(huán)特性，部件模型及其參數(shù)等建立需要著眼于發(fā)動(dòng)機(jī)總體需求。

對(duì)于VCE排氣系統(tǒng)，為了適應(yīng)多工作模式，同時(shí)其工作與后可調(diào)面積涵道引射器(RVABI)等部件關(guān)聯(lián)，因此VCE排氣系統(tǒng)也具有不同的工作狀態(tài)，且具有多流道結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了滿足隱身性能需要，非對(duì)稱S彎噴管是新一代VCE排氣系統(tǒng)最可能采用的技術(shù)之一。

針對(duì)新一代VCE(以ADVENT為參照)，建立這類新型VCE排氣系統(tǒng)研究模型，并對(duì)多流道下VCE高隱身S形排氣系統(tǒng)的流動(dòng)進(jìn)行研究，以期揭示VCE排氣系統(tǒng)多模式工作特征。

1 VCE排氣系統(tǒng)模型

1.1 不同模式排氣系統(tǒng)模型

文獻(xiàn)[12]參考F119發(fā)動(dòng)機(jī)推力需求，一維流路模擬得到VCE單涵道模式下排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，噴管設(shè)計(jì)落壓比NPRD及幾何參數(shù)，如表1所示，單噴管三維造型如圖1所示。

表1 噴管幾何設(shè)計(jì)參數(shù)

采用二元高隱身的S彎噴管作為基準(zhǔn)噴管，S彎噴管面積變化規(guī)律參考文獻(xiàn)中的方法，并采用緩急相當(dāng)中心線控制方程。

圖1 單噴管三維造型

在單S彎噴管基礎(chǔ)上，雙涵道噴管進(jìn)口流量保持不變，所以雙涵道混合形式為內(nèi)含，外涵出口與主流出口面積比為0.6。三涵道模式下，由于主流與第三外涵的壓力相差很大，不能在收斂段滿足第三外涵流量的正常流通，因此第三外涵布置在噴管擴(kuò)張段。第三外涵要起到射流作用，因此第三外涵采用外套模式，第三外涵出口和外涵與主流混合流出口面積比為0.8，三涵道噴管模型如圖2所示。

圖2 雙涵道及三涵道噴管模型

1.2 CFD計(jì)算方法

采用CFD方法對(duì)VCE排氣系統(tǒng)進(jìn)行了流場(chǎng)計(jì)算和分析。流場(chǎng)計(jì)算基于求解三維Reynolds平均N-S方程，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。噴管流場(chǎng)分析模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。噴管進(jìn)口氣體為理想氣體。

遠(yuǎn)流場(chǎng)邊界：模擬地面工況，遠(yuǎn)場(chǎng)來流=0，靜壓P=101325Pa，靜溫T=300K。

雙涵道模式：

三涵道模式：

圖3 雙、三涵道模式下噴管網(wǎng)格

2 計(jì)算結(jié)果分析

以下將對(duì)3種模式噴管計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 單涵道模式

1) 性能分析

如圖4所示，S彎噴管總壓恢復(fù)系數(shù)隨著NPR的增大而增大，且增幅變小?？倝簱p失主要是由管內(nèi)激波損失和邊界層內(nèi)的動(dòng)量損失構(gòu)成。原因其一是隨著NPR增大，管內(nèi)膨脹加劇，彎曲管道中的激波逐漸被推出噴管；其二是由于二元S彎噴管的中心線變化，隨著NPR增大，噴管氣流順壓梯度增大，噴管邊界層厚度減小。

噴管流量系數(shù)隨著NPR增大緩慢增長(zhǎng)，主要原因是NPR增大，氣流順壓梯度增大，邊界層變薄，流量系數(shù)增大。

圖4 單流道S彎噴管性能參數(shù)隨NPR變化曲線

2) 流場(chǎng)分析

圖5揭示了基礎(chǔ)S彎噴管的流動(dòng)特征。由圖5(a)中心截面馬赫數(shù)云圖可知，S彎噴管幾何中心線變化使氣流沿橫向流動(dòng)不對(duì)稱。在噴管出口段，由于中心線斜率快速變小，上下側(cè)不對(duì)稱的超音速氣流在此形成一道結(jié)尾激波。由圖5(b)沿程截面流線可知，沿程各截面流線表明，收斂段內(nèi)上部氣流的流線指向下；下部氣流流線指向上，兩者交匯于核心流內(nèi)的一條極限流線處。隨著氣流抵達(dá)幾何喉道再經(jīng)過擴(kuò)張段時(shí)，該極限流線向下側(cè)移動(dòng)，并在擴(kuò)張段內(nèi)逐漸消失，又由于擴(kuò)張段上下壁面壓力分布不對(duì)稱，擴(kuò)張段內(nèi)再次出現(xiàn)極限流線，并從上側(cè)消失，表明了第二S彎對(duì)第一S彎的流動(dòng)逆轉(zhuǎn)。出口位置由于受外界氣流作用，出口截面流線橫向流動(dòng)有所增強(qiáng)。

圖5 NPR=6，單涵道S彎噴管中心截面馬赫數(shù)、沿程截面流線

2.2 雙涵道模式

在雙涵道模式下，外涵的作用相當(dāng)于引射-混合器，因此在該模式下，對(duì)外涵影響的分析可從引射-混合機(jī)理來分析，但由于S型噴管的流路非對(duì)稱和彎曲性，其引射-混合特征不同于常規(guī)的引射-混合器。

1) 性能分析

表2為雙涵道模式下總壓比和引射流量比的關(guān)系。

由表2可知，在保證核心流總壓不變,引射流量比B(定義為被引射氣流質(zhì)量流量與主流質(zhì)量流量之比，也即涵道比)隨著外涵總壓增加而增加。在幾何形狀以及核心流不變的情況下，隨著外涵總壓增大，外涵氣流速度增大，被引射流量也是引射流量比增大，因此這體現(xiàn)了混合器的特征。如圖6所示，隨著B增大時(shí)，噴管性能參數(shù)均增大，且增長(zhǎng)幅度都在變緩。但外涵引射S型噴管也具有自己特有的引射-混合內(nèi)涵與流動(dòng)特征，具體反映在：外涵存在時(shí)，保證內(nèi)流總壓相同，總壓恢復(fù)系數(shù)比單涵道最大增加17%。

表2 雙涵道模式下，后外涵和內(nèi)涵引射總壓比和引射流量比關(guān)系

圖6 雙涵道模式S彎性能隨引射流量比變化關(guān)系圖

2) 流場(chǎng)分析

雙涵道S型噴管的流場(chǎng)特征，需要從外涵的引射-混合特征以及噴管自身的流動(dòng)特征兩方面考慮。

如圖7，在雙涵道S彎噴管的流動(dòng)中，在從收斂段到喉道段，由于圓轉(zhuǎn)方以及兩股流混合的雙重因素下，此時(shí)流道四周的壓力不再相同，因此在側(cè)方形成了旋流。在喉道到擴(kuò)張段第二彎處，與單噴管流動(dòng)相同。

在該背景下，總壓恢復(fù)系數(shù)隨引射流量比增加的原因有兩點(diǎn)：一是隨著B增加，雙流混合損失減小，原因是核心流和涵道流速度差減小，動(dòng)量損失減??；二是二次流效應(yīng)的影響減弱。S彎噴管中的徑向二次流來自于管道彎曲和圓轉(zhuǎn)方的形狀變化。在外涵存在時(shí)，引射混合流形成的流管內(nèi)側(cè)面為核心流施加了一個(gè)“氣動(dòng)壁面”，從而干擾并抑制了二次流的發(fā)展。隨著引射流量比的增大，外涵流動(dòng)加速，所形成的流管內(nèi)側(cè)面上的切向流速加大，該流管的形狀更不易變形，因此核心流的二次流受到更強(qiáng)的約束。雙涵道S彎噴管周向二次流來自核心流在內(nèi)涵出口處的擴(kuò)張。外涵氣流受到內(nèi)涵氣流擠壓，產(chǎn)生回流區(qū)，如圖8所示，且隨著引射流量比增大，外涵和內(nèi)涵上部分的靜壓差減小，核心流擴(kuò)張趨勢(shì)減弱，外涵流道擁堵程度減小并逐漸消失，外涵氣流流通能力增強(qiáng)。根據(jù)庫(kù)塔條件可知，上部分外涵和內(nèi)涵氣流摻混，由于流體的激烈碰撞，動(dòng)量損失較大。綜合以上兩點(diǎn)因素，隨著引射流量比增加，總壓恢復(fù)系數(shù)增加。

圖7 三維流線圖

實(shí)驗(yàn)所需的藥材于2016年6月采于新疆伊寧，經(jīng)鑒定為車前屬(Plantago)植物巨車前(Plantago maxima Juss. ex Jacq.)，憑證標(biāo)本(TLM-201601)存放于塔里木大學(xué)生物資源保護(hù)利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天然產(chǎn)物研究室。

圖8 不同B的內(nèi)涵和外涵摻混局部圖

S彎噴管流量系數(shù)隨著引射流量比增大而增大。原因是邊界層變薄和外涵包裹能力增強(qiáng)，混合產(chǎn)生的低速流范圍小，混合后的邊界層速度分布中低速區(qū)減少。外涵的存在，對(duì)核心流形成包裹，且引射流量比增大，限制了核心流的扭曲變形。因此流量系數(shù)增大。

根據(jù)推力系數(shù)公式可知，當(dāng)流量系數(shù)以及噴管出口速度都隨引射流量比增大時(shí)，推力系數(shù)也必然增大。

2.3 三涵道模式

在三涵道模式下，第三外涵的作用仍可視為引射-混合器。

1) 性能分析

表3給出第三外涵和核心流總壓比與引射流量比之間的關(guān)系。由圖9可知，隨著第三外涵引射流量比B3增大，噴管總壓恢復(fù)系數(shù)、推力系數(shù)均在減小，但減小幅度在0.6%以內(nèi)，噴管流量系數(shù)基本不變。

表3 三涵道模式下，第三外涵和內(nèi)涵引射總壓比和引射流量比關(guān)系

圖9 三涵道模式S彎性能參數(shù)變化圖

2) 流場(chǎng)分析

由圖10(a)可知，在三涵道S彎噴管流動(dòng)中，第三外涵氣流將來流(主流與涵道流混合流)完全包裹。第三涵道摻混發(fā)生在超聲速區(qū)域，來流在未與第三外涵混合之前的流動(dòng)基本不受第三外涵影響，氣流流動(dòng)特征與雙涵道模式下基本相同。在第三涵道出口與來流開始混合截面，噴管來流受第三涵道流影響，形成角渦，且第三涵道流與來流之間的壓力分布均勻，沒有產(chǎn)生明顯的流線扭曲。隨著流場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展，來流受到第三涵道流的包裹，在擴(kuò)張段增加了氣流膨脹面積，改變了來流氣流膨脹程度。

由圖11可知，隨著壓比的增大，來流膨脹程度在減小，同時(shí)，由于第三涵道流出口氣流與來流靜壓平衡，隨著壓比的增大，涵道流出口馬赫數(shù)增大，結(jié)尾激波向出口移動(dòng)，同時(shí)激波角增大。

圖10 B3=0.339時(shí)，S彎噴管擴(kuò)張段三維流線、沿程截面流線分布

圖11 不同B3下噴管中心截面馬赫數(shù)云圖

3 結(jié)語

本文對(duì)VCE不同工作模式的二元S彎噴管進(jìn)行了數(shù)值仿真，并分析流場(chǎng)特征、氣動(dòng)性能變化特點(diǎn)，研究表明：

1) 單涵道模式下，二元S彎噴管流場(chǎng)呈現(xiàn)其特有的二次流流場(chǎng)以及不對(duì)稱膨脹過程。

2) 雙涵道模式下，氣流總壓恢復(fù)系數(shù)、推力系數(shù)、流量系數(shù)都隨著引射流量比的增大而增大；管內(nèi)二次流強(qiáng)度相較于單涵道模式有所增強(qiáng)。

3) 三涵道模式下，噴管推力、總壓性能隨著第三外涵引射流量比的增大而減小，但減小幅度在0.6%以內(nèi)。