渦槳飛機發動機進氣道排除異物特性數值研究

王利敏，張彥軍，米百剛，楊梅花

(1.航空工業第一飛機設計研究院 總體氣動所，西安 710089) (2.清華大學 航天航空學院，北京 100084) (3.北京金風科創風電設備有限公司，北京 100176)

0 引 言

航空科學技術的發展對新型飛行器的性能要求越來越高。能夠適應各種各樣的飛行環境，在惡劣的飛行條件下仍可保持較好的性能是其中的一個重要方面。民用飛機和軍用飛機對該指標的標準和考核要求存在差異，對于民用航空領域的渦槳支線飛機，該指標的一個體現方面是飛機具有在外來異物的影響下保持要求的飛行性能。因此，必須在飛機設計的初始階段考慮外來物的影響。

目前，渦槳支線客機應用較多，比如我國的新舟系列飛機、ATR公司的渦槳客機系列以及龐巴迪公司的Q系列飛機等，這些渦槳客機以高性價比得到廣泛關注，并獲得大量應用。隨著我國通用航空產業的發展，對渦槳支線客機的需求必將急劇增加。

新一代國產渦槳飛機使用的發動機進氣道形式與常規渦槳發動機存在較大不同[1-3]。為了防止外來異物被吸入進氣道進入發動機，導致發動機性能下降或者停車，從而威脅飛行安全，在進氣道內增設外來物排除裝置，稱為旁通道。該通道的設計目的是期望超過發動機吞咽極限的異物能夠在氣流的作用下進入該通道排出，從而減小對發動機性能的影響，保證安全性，也能夠滿足飛機在惡劣環境下飛行時的動力需求。

帶有旁通道的進氣道構型出現在20世紀80年代初，是一種較為新型的進氣道形式，目前國外也只有Q-8等少數飛機使用。我國在20世紀90年代初引進普惠的發動機為運7換發時曾經做過一些試驗研究[4]，但是由于技術封鎖，很難掌握詳細的設計分析方法[5]。

盡管如此，與該研究相關的一些外來物的研究開展相對較多。國外，M.Papadakis等[6]建立了四自由度軌跡分析代碼，研究了三維均勻流場中方形冰塊的運動軌跡，并對其落點進行了概率分析；G.S.Baruzzi等[7]開展了六自由度冰塊的運動軌跡研究，并利用大量實驗獲取軌跡仿真中所需要的氣動力數據；H.Kim等[8]基于DYNA3D開發了冰雹的第一個數值計算模型。國內，李玉龍等[9]、王計真等[10]通過建立鳥炮裝置，使用明膠代替飛鳥，詳細研究了鳥撞飛機部件的結構破壞情況，為飛機的結構設計提供了翔實的參考；刁斌等[11]、朱書華等[12]、楊立文等[13]、李旦等[14]、王文智等[15]、陳佳慧等[16]、施萌等[17]分別通過數值模擬手段，對鳥撞現象中的發動機葉片損失進行詳細評估并與試驗進行了對比分析。可以看出，國內外的研究多集中在結構方面，只關注異物與飛機部件發生碰撞的瞬時過程，而對異物在撞向飛機的過程中對飛機氣動性能的影響鮮少涉及，因此很難分析得到外來異物的運動軌跡，從而無法進一步分析進氣道的效能和旁通道的設計合理性。

本文針對國產新型渦槳飛機進氣道-旁通道設計分析技術開展研究，將CFD和六自由度方法耦合，率先開展外來異物進入進氣道的運動軌跡計算分析，并耦合沖擊動力學方法，對運動中可能發生的碰撞現象進行探索分析，初步建立渦槳飛機進氣道排除外來異物的數值模擬方法。

1 計算模型

本文選取某型國產新型渦槳支線飛機主發動機短艙進氣道作為研究對象。根據設計需求，位于進氣道末端的旁通道必須排除超過發動機吞咽極限的各種外來異物，防止其進入壓氣機進氣道內部，影響發動機性能，威脅飛行安全。該發動機短艙模型如圖1所示。

圖1 計算短艙模型Fig.1 Computational nacelle model

2 基于適航規范的外來異物屬性分析

渦槳飛機實際飛行中可能遇到的外來異物種類較多，比如在簡易跑道上起降時，砂石有可能被吸入發動機；在高空飛行時，有可能遇到飛鳥；氣溫變化較大時，有可能遇到冰雹和結冰現象。這些外來異物均可能對飛行產生影響，其中，以冰雹和結冰現象的威脅最大，因此本文重點對冰雹和結冰現象的影響進行研究，這也是渦槳發動機供應商重點考慮的因素。

渦槳支線客機需要面向民用航空領域，因此需要根據適航規范，結合各類國標首先確定外來物特性。

2.1 冰 雹

根據適航規范[18]，冰雹數量與發動機的進氣道面積有關，對于進氣道面積大于0.064 m2(100 in2)的發動機，每0.096 8 m2(150 in2)的進氣道面積或其余數，為1顆25 mm(1 in)直徑和1顆50 mm(2 in)直徑的冰雹。根據該規范，本文的計算模型需要布置2顆20 mm和2顆50 mm直徑的冰雹，等距分布，并且為了考慮冰雹的位置影響，分別計算唇口上、中、下位置的冰雹排除特性，如圖2所示。

圖2 冰雹分布Fig.2 Hails located in the engine inlet

實際飛行中冰雹相對飛機具有水平和垂直的下落速度，垂直下落速度可以根據適航規范由式(1)確定。

(1)

式中：ρa為空氣密度；CD為阻力系數。

水平方向的速度是隨著距離飛機進氣道的距離不同而發生變化的。當距離較遠時，進氣道內流場對冰雹的水平干擾較小，相對速度可認為是飛機的飛行馬赫數；當距離較近時，水平方向的速度受到唇口處的內流影響。為了全面研究該影響，水平方向的速度取飛行速度和內流速度兩個極值。

2.2 冰 塊

與冰雹不同，冰塊主要是發動機唇口或者內部區域在環境劇烈變化時產生的異物，因此其初始運動狀態與飛機一致。冰塊相對于飛機初始速度為0，當脫落后，在氣流的沖刷下局部翹起、折斷、脫落后運動。發動機進氣系統的結冰，指的是進氣道前緣、錐形整流罩、支柱以及第一級壓氣機前導流葉片等處的結冰[19-20]。本文重點考慮從唇口以及進氣道內部結冰區脫落的冰塊，因為這部分冰塊對進氣道的影響最大。

根據適航規范，發動機的吞冰試驗僅考慮一個冰塊，形狀主要為混合冰，結合某型國產渦槳支線飛機發動機的排異能力實際和吞冰試驗的尺寸規范，冰塊的尺寸選定為最大排異尺寸。冰塊的脫落位置選為唇口上下左右以及進氣道下壁面結冰區域；同時，冰塊在脫落后會受力翹起一定角度，目前并沒有對冰塊初始姿態的準確研究，本文設定冰塊初始翹起角度為30°，主要是模擬大翹起角度下受氣流沖擊力較大情形時的冰塊運動現象。因此，選定的冰塊計算模型如圖3～圖4所示。

圖3 唇口周圍的冰塊Fig.3 Ice cubes around the engine inlet

圖4 進氣道下壁面結冰區冰塊Fig.4 Ice cube near the lower wall in engine inlet

3 外來異物在進氣道中運動過程的數值仿真方法

3.1 基本步驟

無論是冰雹還是冰塊，在進入進氣道之后，都會在進氣道內流的作用下進行運動，可以借助計算流體力學(CFD)計算聯合六自由度(6DOF)方法求解得到異物的運動軌跡。需要注意的是，由于計算狀態的不同，異物在受力運動之后，有可能會發生與壁面的碰撞或者異物之間的碰撞，此時，需要進一步耦合沖擊動力學方法開展異物的碰撞分析。總體來看，對于冰雹或者冰塊的排除，數值模擬時可以分為以下步驟：

一是使用CFD聯合6DOF求解非定常運動，實時計算異物與壁面、異物之間的最小距離；

二是當異物與異物之間或者異物與壁面之間距離不斷減小，并且小于設定的閾值(d=0.1 mm)時，認為碰撞發生，此時調用沖擊動力學程序處理碰撞。

計算結果的判定方法為：①若沒有碰撞直接進入旁通道，認為異物排除，而直接進入主發動機，則可能嚴重威脅飛行安全；②發生碰撞則判定碰撞后的尺寸形狀，如果遠小于排異能力，認為即使進入主發動機也不會有嚴重影響，計算結束；如果碰撞后尺寸較大，則繼續計算。

總體的方法如圖5所示。

圖5 計算流程圖Fig.5 Simulation flow chart

3.2 仿真中的計算方法

根據外來物的排除數值計算過程，使用的方法包括CFD方法、六自由度方程以及沖擊碰撞模擬。

(1) CFD方法

本文的分析方法需要大量的動態非定常計算，因此CFD計算基于三維非定常歐拉方程，不考慮粘性的影響，其控制方程為

(2)

(2) 6DOF仿真

使用六自由度方程來計算隨氣流運動的冰塊的位移以及繞著重心的角速度。Fluent軟件中內置了相應的六自由度模塊，慣性坐標系下的繞著重心的控制方程為

(3)

物體的角運動可以使用物體坐標計算得到

(4)

式中：L為慣性張量；MB為物體力矩向量；ωB為剛體角速度向量。

力矩通過式(5)從慣性到體坐標轉換得到

MB=RMG

(5)

式中：R為轉換矩陣，其形式為

(6)

式中：Cχ=cos(χ)；Sχ=sin(χ)；φ、θ、ψ分別為歐拉角。

(3) 碰撞仿真

碰撞的仿真分析基于FE有限元模型，該方法是求解連續介質力學問題的典型方法，可以重現高速撞擊下的物體行為。網格建立在物體上，當物體發生大的變形時，網格也發生變化。

3.3 仿真計算中的邊界條件設置

流體仿真分析時，使用的邊界條件包括遠場、壁面以及壓力出口。壓力出口邊界設置在發動機進氣道出口位置，通過調節出口壓力的變化，可以迭代修正得到滿足發動機質量流量要求的計算工況。碰撞分析時，需要定義物體的材料屬性、接觸碰撞面、載荷以及約束條件等。需要注意的是，根據結冰的條件等，冰的屬性非常多，并且每一種屬性的冰，其碰撞結果都不相同，要全部模擬該形式計算量巨大，本文僅使用常見的一種屬性參數來構建冰雹以及冰塊排出的數值模擬方法[21-22]。

4 渦槳飛機進氣道排異特性仿真結果及分析

4.1 冰雹排除特性分析

冰雹存在時的計算網格如圖6所示，全部使用非結構網格，總網格量350萬，使用動態網格重構技術來模擬冰雹的實時運動，同時實時監控其運動軌跡。

(a) 表面網格1

(b) 表面網格2圖6 冰雹排除計算網格Fig.6 Computational grids in hail exclusion

該發動機的計算工況如表1所示，根據本文建立的外來物排除計算方法得到的結果為：四顆冰雹均與進氣道壁面發生碰撞。

表1 冰雹排除計算工況

所有的計算工況下，四顆冰雹均與壁面發生了碰撞，并未發生沒有碰撞直接進入主發動機或者旁通道的現象。由于質量特性的不同，碰撞發生的先后順序也存在差異。整個過程為冰雹在初始速度下向發動機進氣道內部運動，同時氣流的作用力改變了其三向運動速度和三軸轉動速度，其運動軌跡也隨之變化。當冰雹向著壁面運動并且最小間距小于設定的閾值時，調用LS-DYNA軟件計算碰撞過程。

其中一個狀態的碰撞發生后的仿真結果如圖7所示，可以看出：碰撞之后冰雹碎裂成若干個小冰塊，這些小冰塊的最大體積遠小于發動機的排異尺寸，并且碰撞完成后，整個冰雹的動能損失極大，碰完的小碎塊反彈速度很小，多數沿著壁面向進氣道內部滑向旁通道區域。因此，對于冰雹進入進氣道的情形，運動過程實際上應該是：運動-碰撞-破碎-排除，即使是碰撞完的碎片進入主發動機，也因尺寸遠小于吞咽極限而不會對壓氣機系統造成明顯影響，因此該工況下的冰雹異物對發動機安全性的影響不大。

(a) 冰雹初始位置

(b) 冰雹撞擊位置

(c) 冰雹撞擊開始

(d) 冰雹撞擊結束

(e) 撞擊過程法向速度變化

(f) 撞擊過程能量損失圖7 冰雹排除計算結果(唇口中部)Fig.7 Exclusion results of hail located in middle of engine inlet

4.2 冰塊排除特性分析

冰塊的計算工況與冰雹一致，其計算網格同樣采用非結構動態網格重構，網格量約為400萬，如圖8所示。

(a) 唇口上部冰塊計算網格

(b) 下壁面結冰區冰塊計算網格圖8 計算網格Fig.8 Computation grids of hail

各個工況下的計算結果如表2所示，可以看出：當冰塊位于唇口周圍時，在所有的計算工況下唇口周圍上下左右部分的冰塊最終都與進氣道壁面發生了碰撞。

表2 冰塊排除結果

H=6 000 m，Ma=0.527，攻角和側滑角均為0°時的唇口下部冰塊的計算結果如圖9所示。冰塊不同于冰雹，它沒有初始速度，即相對發動機的初始速度為0，之后在氣流的作用下，承受三軸力和力矩，開始進行運動，姿態也隨之發生變化，最終當冰塊與壁面之間的距離不斷減小并小于設定的閾值時，認為碰撞發生，調用LS-DYNA進行碰撞分析。

(a) 唇口下部冰塊初始位置

(b) 唇口下部冰塊碰撞位置

(c) 唇口下部冰決撞擊前

(d) 唇口下部冰塊撞擊后圖9 冰塊排除計算結果(唇口下部)Fig.9 Exclusion results of ice cube located at the bottom of engine inlet

從圖9可以看出：冰塊與壁面發生碰撞時，更易碎成若干很小的冰塊，這些冰塊的尺寸遠小于發動機的排異尺寸，因為能量損失，同樣也會沿著進氣道壁面滑向旁通道，不會嚴重威脅發動機的安全。

所有工況下，當冰塊位于進氣道內部下壁面結冰區時，30°偏角的冰塊在氣流作用下未與壁面發生碰撞，而是直接進入了主發動機。H=6 000 m，Ma=0.527，攻角和側滑角均為0°時的下壁面結冰區冰塊的計算結果如圖10所示。

(a) 下壁面結冰區冰塊初始位置

(b) 下壁面結冰區冰塊進入主發動機圖10 下壁面結冰區冰塊的計算結果Fig.10 Exclusion results of ice cube near lower wall of engine inlet

從圖10可以看出：在氣流的作用下，冰塊向發動機內部翻滾飄入主發動機，這種情形十分危險，盡管進入主發動機的冰塊會與其葉片等發生碰撞，之后碎裂成較小的冰塊，但是碰撞過程中尺寸較大、速度較高的冰塊極易損傷發動機內部部件，對其性能和安全性產生嚴重的威脅。

綜合冰塊的計算結果可以看出：唇口的冰塊進入進氣道后，易碰撞在進氣道內部壁面上破碎，對于發動機的威脅較小；而進氣道下壁面結冰區的冰塊有不碰撞直接進入主發動機的趨勢，極可能對發動機產生嚴重威脅，因此在進行進氣道設計時，該處需要特別注意設置相應的防冰措施。

5 結 論

(1) 冰雹進入進氣道后，在選定的計算工況下，均與壁面發生碰撞，碎裂成的小冰塊尺寸遠小于發動機排異能力，對發動機威脅較小。

(2) 唇口周圍的冰塊在氣流作用下運動，均與壁面碰撞破碎，對發動機威脅很小；但是下壁面結冰區的冰塊有不發生碰撞直接進入主發動機的趨勢，對整個發動機性能和安全威脅極大，需要重點關注。

該領域的研究工作尚處于起步階段，缺少大量試驗數據的支撐，下一步需要結合試驗方法以及更細致的氣動設計方法，對發動機性能分析、進氣道設計以及旁通道設計進行深入研究。