一種可變內(nèi)收縮比的進氣道自起動數(shù)值仿真

潘鵬宇，俞宗漢，周揚，王瑞林

(南京航空航天大學 能源與動力學院 ，江蘇 南京 210016)

0 引言

在當前強調(diào)空天一體化的國際形勢下，世界強國都在加快高速飛行器的發(fā)展[1-3]。高速飛行器的發(fā)展將成為人類飛行器發(fā)展史上一個重要的里程碑。進氣道作為高速飛行器的“龍頭”部件，其工作狀態(tài)關(guān)系著整個發(fā)動機性能。高速飛行狀態(tài)時，一種處于起動狀態(tài)的進氣道能夠向下游發(fā)動機提供品質(zhì)優(yōu)良的空氣，是發(fā)動機穩(wěn)定工作的前提，一旦進氣道處于不起動狀態(tài)，會造成其工作性能急劇下降，嚴重時會造成發(fā)動機熄火。經(jīng)研究表明[4-7]:進氣道內(nèi)收縮比影響著進氣道的自起動性能，適當降低進氣道內(nèi)收縮比可以提高進氣道自起動能力。進氣道內(nèi)收縮比是指內(nèi)壓段進口高度與喉道高度之比。調(diào)節(jié)進氣道唇口角度和喉道高度均可改變進氣道內(nèi)收縮比。

KANTROWITZ A等在一維無黏流動的前提下，假使進氣道處于臨界條件，此時進口處出現(xiàn)一道正激波，氣流在喉道截面為臨界音速，喉道馬赫數(shù)=1，氣流從進口至喉道，流量始終守恒，推導出自起動的極限內(nèi)收縮比公式[8]；VAN WIE D等參考了大量二元高速進氣道的實驗結(jié)果，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，擬合了能夠預測進氣道自起動的極限收縮比曲線[9]，是國外較早通過實驗研究進氣道自起動極限收縮比的學者之一；國內(nèi)馮定華等設(shè)計一套可旋轉(zhuǎn)唇口的二元進氣道，通過旋轉(zhuǎn)唇口角度改變進氣道內(nèi)收縮比，并對不同內(nèi)收縮比下進氣道自起動過程開展了實驗研究[10]。

本文設(shè)計了一套調(diào)節(jié)喉道高度的變幾何機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)喉道高度改變進氣道內(nèi)收縮比，對不同內(nèi)收縮的進氣道開展數(shù)值仿真研究，探究了相關(guān)進氣道自起動過程，并得到可使進氣道自起動的極限內(nèi)收縮比。

1 研究對象

本文設(shè)計的變幾何機構(gòu)由轉(zhuǎn)動壓縮板1、轉(zhuǎn)動圓弧板2、作動喉道板3、轉(zhuǎn)動圓弧板4和轉(zhuǎn)動伸縮板5五個可動部件構(gòu)成(圖1)。1左端與進氣道第二級壓縮段鉸接，5右端與進氣道渦輪通道鉸接，1-4之間通過鉸鏈連接，5可在4中滑動伸縮，3下方安裝了作動筒，可驅(qū)動3沿圖中豎直方向上下作動，整個變幾何包括5個可動部件，5個轉(zhuǎn)動副，2個滑動副，整套機構(gòu)自由度為1。在變幾何的過程中，作動筒驅(qū)動主動件3單自由度豎直向下作動，便可以調(diào)節(jié)進口高度Hc和喉道高度Ht，進而改變進氣道內(nèi)收縮比ICR。

圖1 變幾何機構(gòu)原理圖

2 數(shù)值仿真方法

2.1 模擬進氣道自起動方法

國內(nèi)外學者對進氣道的自起動特征開展了一系列數(shù)值仿真研究，常用的數(shù)值仿真方法可歸納為以下3種：

1)在設(shè)置邊界條件的過程中，將進氣道的出口設(shè)置為壁面條件，在某一馬赫數(shù)下開展數(shù)值仿真工作。進氣道出口由于被設(shè)置為壁面，內(nèi)通道流動產(chǎn)生壅塞，獲得進氣道不起動流場結(jié)果。然后將進氣道出口改為超音出口或壓力出口，以獲得的不起動流場結(jié)果進行續(xù)算，若續(xù)算的最終結(jié)果顯示分離包被吞入喉道，進氣道具有起動狀態(tài)的流動特征，則此進氣道在某一馬赫數(shù)下具有自起動能力。該方法屬于一種定常的計算方法。

2)以一較低的馬赫數(shù)為初始條件進行仿真，獲得進氣道在低馬赫數(shù)下的不起動流場，在此不起動流場的結(jié)果上逐漸增大來流馬赫數(shù)；數(shù)值收斂后繼續(xù)增大來流馬赫數(shù)，直至增加到某一馬赫數(shù)，流場收斂后若結(jié)果顯示分離包被吞入喉道，進氣道具有起動狀態(tài)的流動特征，則此進氣道在某一馬赫數(shù)下具有自起動能力。該方法也屬于一種定常的計算方法。

3)進行非定常加速起動的數(shù)值仿真，隨著時間的增加，來流馬赫數(shù)逐漸增大，此時內(nèi)流通流動特征也在隨時間的增加而變化；當分離包被吞入喉道，進氣道具有起動的流動特征，則此時刻對應的來流馬赫數(shù)即為自起動馬赫數(shù)。該方法屬于一種非定常的計算手段。

以定常的方式進行數(shù)值仿真可以節(jié)約大量的計算時間和計算機儲存資源，目前國內(nèi)學者通常采用第2)種方法進行進氣道自起動數(shù)值仿真。本文采用第2)種定常逐漸增加馬赫數(shù)的方法開展進氣道自起動過程仿真工作。

2.2 數(shù)值計算方法

計算湍流模型采用k-e湍流模型，采用標準壁面函數(shù)進行修正，壁面采用無滑移壁面，出口采用壓力出口。進氣道造型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。考慮到進氣道的對稱性，本文采用一半進氣道造型進行數(shù)值仿真，近壁處網(wǎng)格進行加密，壁面附近y+在30～60之間，滿足湍流模型要求，總網(wǎng)格數(shù)量約450萬(圖2)。

圖2 進氣道網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

3 分析與討論

圖3所示為設(shè)計態(tài)下不同內(nèi)收縮比情況下的對稱面Ma云圖。ICR=2.32時，進氣道內(nèi)收縮比最大，進氣道處于不起動狀態(tài)，內(nèi)壓段前段至喉道處存在大分離包。分離包具有較高的逆壓梯度，氣流只能從分離包與上壁面所夾的空間中流入內(nèi)通道，進氣道內(nèi)通道處于壅塞狀態(tài)。分離包前緣處誘導出一道分離激波，分離激波與外壓段波系相互干涉，形成一道彎曲溢流激波。隨著內(nèi)收縮比的減小，分離包逐漸減小，內(nèi)通道流通空間逐漸增大，唇口外側(cè)溢流激波逐漸向唇口的方向移動；ICR=1.91時，分離包明顯減小，內(nèi)通道流通空間明顯增大，此時唇口前出現(xiàn)一道脫體弓形波；ICR=1.85時，唇口激波出現(xiàn)，進氣道外強溢流激波消失，但進氣道內(nèi)流道仍存在大面積分離區(qū)，進氣道處于臨界不起動狀態(tài)，分離激波與唇口激波在內(nèi)流道內(nèi)相互干涉；ICR=1.79時，原本存在內(nèi)通道的大片分離區(qū)被吞入喉道，唇口斜激波出現(xiàn)并打在下壁面，在激波附面層干擾下，下壁面出現(xiàn)了微小的分離區(qū)，進氣道內(nèi)壓段流動順暢，進氣道處于起動狀態(tài)，來流性能品質(zhì)恢復正常。

圖3 設(shè)計態(tài)下不同內(nèi)收縮比Ma云圖

圖4為不起動狀態(tài)二維流線圖。分離包與進氣道上壁面形成了氣動喉道，但氣動喉道面積遠遠小于真實喉道面積，氣流在新氣動喉道面積處嚴重壅塞；進氣道入口前出現(xiàn)溢流激波，氣流在溢流激波的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，向進氣道外側(cè)溢流，只有部分來流經(jīng)氣動喉道流入進氣道內(nèi)通道。流線圖表明分流包內(nèi)存在著大片的回流區(qū)，這是由下壁面低能流在高逆壓梯度下產(chǎn)生的，內(nèi)收縮比越大，氣流壓縮程度越高，內(nèi)壓段逆壓力梯度越高，進氣道越易發(fā)生不起動狀態(tài)。當不起動狀態(tài)發(fā)生時，壁面附近的低能流在高逆壓梯度的作用下發(fā)生回流，形成分離包，分離包誘導分離激波與外壓段斜激波相互干涉產(chǎn)生強溢流激波，造成進氣道性能急劇下降。

圖4 不同內(nèi)收縮比不起動狀態(tài)流線圖

設(shè)計態(tài)下不同內(nèi)收縮比下的喉道性能參數(shù)如圖5所示。內(nèi)收縮比越小，分離包與上壁面形成的氣動喉道面積越大，弓形激波離唇口越近，唇口溢流量逐漸減小，進氣道流量系數(shù)逐漸增大；不起動狀態(tài)下，各內(nèi)收縮比對應的喉道馬赫數(shù)始終維持音速附近，相差不大，但起動狀態(tài)恢復后，進氣道內(nèi)壓段流動通暢，喉道馬赫數(shù)大幅度增加，且總壓恢復和流量系數(shù)等評價進氣道性能指標的參數(shù)遠大于不起動狀態(tài)，因此一個保持起動狀態(tài)工作的進氣道對飛行器至關(guān)重要。

圖5 不同內(nèi)收縮比下的喉道性能參數(shù)

4 結(jié)語

1)低能流在高逆壓力梯度的作用下形成回流，進氣道下壁面出現(xiàn)大片的分離區(qū)，分離區(qū)與上壁面形成了新的氣動喉道，新氣動喉道面積較小，產(chǎn)生內(nèi)流道壅塞狀態(tài)，造成了進氣道不起動。

2)設(shè)計了一套變幾何機構(gòu)，該變幾何機構(gòu)簡單可調(diào)，易于控制。采用變幾何輔助措施提升進氣道自起動性能，其原理在于減小進氣道內(nèi)收縮比，降低內(nèi)壓段逆壓力梯度，避免低能流發(fā)生回流，形成大面積分離區(qū)。本文采用變幾何輔助措施后，進氣道能夠?qū)崿F(xiàn)自起動，自起動極限內(nèi)收縮比為1.79。

3)逐漸減小內(nèi)收縮比，使進氣道由不起動至起動的自起動過程中，溢流激波逐漸向唇口靠近，出口流量系數(shù)逐漸增大。當進氣道恢復起動狀態(tài)后，存在于內(nèi)壓段的分離區(qū)和唇口外的溢流激波消失，進氣道喉道性能參數(shù)大幅度上升。