航空發動機露天試車臺側風模擬研究

汪 才，艾延廷，朱建勇，張 巍，林 山，喬 黎

(1.沈陽航空航天大學，沈陽 110136；2.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015)

1 引言

航空發動機在地面露天試車臺試車期間常會受到側風影響，導致發動機工作不穩定，影響發動機推力測量和性能評定。發動機側風試驗的目的是驗證側風條件下進氣道與發動機的兼容性[1-3]。自然空間中的強側風可能會造成發動機進口氣流畸變，導致壓氣機工作不穩定甚至喘振。因此，有必要進行側風試驗研究，以獲得不同風向及風速下發動機的響應和進氣道的流動特性，同時確定發動機地面工作側風邊界，進而優化進氣道與發動機的兼容性，并為飛機在側風條件下的安全運行提供保障[4-6]。

截至目前，國外就側風對露天試車臺的影響做了大量的試驗和研究工作。英國R·R 公司、美國P&W 公司和美國GE 公司各自建造了風速可達30 m/s、空氣流量可達2 000 kg/s 的大型側風風源設備。其中，R·R公司和P&W公司設計了全方位的風源設備，分析了各個角度對發動機形成的側風條件對發動機進氣畸變的影響[7]；GE 公司設計了從0°、45°、90°三個方位進行側風試驗的風源設備，給出了發動機若能順利通過這三個方向的側風試驗，則其他方向的側風試驗都能通過的結論。Tourrette 等[8]發展了一套數值求解Navier-Stokes方程的軟件，并通過與試驗結果對比，驗證了數值方法和湍流模型的可靠性；Brix等[9]開展了側風條件下由于短艙進氣道的吸入作用產生地面渦的風洞試驗研究；Trapp等[10]就側風條件下飛機起飛時產生的進氣道渦流對發動機進口流場的影響進行了分析與研究。相比之下，國內對航空發動機露天試驗臺側風影響研究起步較晚，目前的側風試驗主要是在發動機進口安裝多點壓力測頭，來測量有無側風條件下發動機進口壓力場的變化。劉永泉等[11]通過仿真流場壓力分布模擬了某型發動機的進氣畸變；李志平等[12]研究了發動機受進氣畸變導致其工作穩定性變化的規律；劉浩等[13]采用數值模擬方法，研究了側風來流條件對地面渦形成和發展的影響；王寶坤等[14]提出了風速標定方法和開展側風試驗的程序，給出了側風裝置工作狀態與試驗所需風速之間的映射關系。由于露天試車臺側風模擬的復雜性和有效性，我國對側風模擬裝置試驗的研究深度仍有待提高。

本文基于流體力學理論，運用ANSYS Workbench 對側風裝置試驗過程進行仿真，研究露天試車臺側風裝置內部流場和下游出口處的壓力、流量、速度的分布及演化規律。此外，采用Realizablek-ε湍流模型進行數值模擬，獲得了風機壓力與流量的對應關系，揭示了側風裝置中風機使用數量對流場穩定性的影響。

2 計算方法

2.1 流體控制方程

在本文側風數值模擬穩態計算工況下，需要同時滿足的控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量方程，各方程的詳細推導過程可參考文獻[15]。

(1) 質量守恒方程

式中：ρ為氣流密度，u，v，ω分別為x、y、z方向的速度分量。

(2) 動量守恒方程

x、y、z三個方向的動量守恒方程為：

式中：p為微元體壓力，τxx、τxy、τxz分別為因黏性作用在微元體表面上的黏性應力分量，Fx、Fy、Fz分別為微元體上的體力。

對于牛頓流體，黏性應力與流體的變形率成比例，有：

式中：μ為動力黏度；λ為第二黏度，一般取-。

將(3)式代入(2)式得，

式中：Su、Sv、Sw為動量方程廣義源項，其中Su=Fx+sx，Sv=Fy+sy，Sw=Fz+sz。

上式中sx、sy、sz的表達式如下：

一般來講sx、sy、sz是小量，對于黏性為常數的不可壓流體，sx=sy=sz=0。

(3) 能量守恒方程

式中：e為物體內能，T為溫度，q為熱流量，k為熱傳導系數。

2.2 航空發動機側風裝置模型

不同露天試車臺所使用的側風裝置結構不盡相同，側風裝置的模擬風源可以由一臺渦軸發動機在減速裝置作用下連帶的一組飛機螺旋槳組成，也可以由安裝在風源筒體同一平面上的電機風扇組組成。本文的側風裝置模型參照了美國GE公司的發動機側風裝置，如圖1所示。

圖1 美國GE公司的發動機側風裝置Fig.1 Aero-engine crosswind device of GE company in American

對發動機側風裝置進行合理簡化，省略無關部分，得到如圖2所示的發動機側風裝置模型。裝置全長91 500 mm，寬30 000 mm，高18 890 mm。其中前端進氣部分長13 000 mm，試驗段殼體長67 840 mm。風源部分由19 個風筒及安裝在其內部的電機風扇組組成，風筒長5 660 mm，風筒前端進氣口直徑1 800 mm，尾部出氣口直徑2 160 mm，風扇組的排列方式如圖3所示。風扇模型是在沒有真實模擬風扇的三維模型條件下的簡化，為無厚度平面，通過設置經過該平面的壓力增量近似模擬風扇的增壓效果。

圖2 發動機側風裝置模型Fig.2 Model of engine crosswind device

圖3 風扇排列方式及編號Fig.3 Fan arrangement and number

2.3 網格劃分

在側風裝置前10 倍動力段距離和側風裝置后30倍動力段距離處建立延伸段，以便能更好地觀察氣流流出下游出口之后的跡線，如圖4 所示。為提高側風模擬計算精度，分區進行網格劃分，同時經數值仿真對網格無關性進行驗證，網格如圖5 所示。風源筒體及計算域網格適當加密，網格數量140萬。風扇動力段網格數量50萬，如圖6所示。

圖4 完整流場網格Fig.4 Complete flow field grid

圖5 風源筒體及計算域網格Fig.5 Fan barrel and computational domain grid

圖6 風扇動力段網格Fig.6 Fan power section grid

2.4 邊界條件設置

分別計算在中央1臺風機、中間7臺風機與全部19臺風機工作(圖7)下，每臺風扇進口分別提供200，500，750，1 000，1 500，2 000 Pa壓強時，側風裝置下游出口處氣流的壓力、流量和速度。計算域邊界條件設置如圖8所示，紫色區域設置為壓力入口，黃色區域設置為壓力出口，粉色區域設置為無滑移、絕熱壁面。

圖7 風機工作情況Fig.7 Working condition of fan

圖8 邊界條件設置Fig.8 Boundary condition setting

運用ANSYS Workbench Fluent 18.2進行數值模擬，計算時的求解器選擇密度基求解器，流體設定為理想氣體，計算模型的速度特征選擇相對速度求解。計算過程中，采用的控制方程為三維雷諾平均Navier-Stokes方程，空間離散采用二階迎風格式，湍流模型選用Realizablek-ε湍流模型。

3 側風物理量分析

側風裝置出口氣流流動會受到側風裝置不同數量風機工作的影響，下面從側風裝置出口壓力、流量和速度三個方面分析側風裝置出口氣流的流動情況。

3.1 側風裝置出口壓力變化規律

采用數值模擬方法對側風裝置出口處的壓力進行研究，對比分析不同數量風機工作時的出口壓力變化規律。圖9為各個工況下出口壓力的分布云圖(從左到右分別對應風扇進口總壓200，500，750，1 000，1 500，2000 Pa)。可見，1 臺、7 臺、19 臺風機工作時，出口壓力均隨進口總壓改變，且最大壓力位置并不處于出口截面中心位置。1 臺風機工作時，最大壓力出現在出口截面上部，且進口總壓越大越明顯；7臺風機和19臺風機工作時，高進口總壓的出口截面壓力分布比1 臺風機工作時的更均勻，最大壓力出現在出口截面下部和上部的邊角。

圖9 不同數量風機工作時出口截面的壓力分布Fig.9 Pressure distribution of outlet section when different numbers of fans are working

進一步對風機工作時的跡線圖進行分析。進口總壓2 000 Pa，1臺、7臺、19臺風機工作時側風裝置的氣流跡線分別如圖10～圖12 所示。1 臺風機工作時，氣流跡線在出口截面處小幅度偏向上方，導致氣流在出口前一較短距離內向上方聚集，形成高壓區，使得出口截面處高壓區域整體偏向上方。此時，在收斂段會產生回流區，如圖10(b)所示。風機所在風筒為進氣狀態，而其余未工作風機所在風筒為開口風筒，氣流可以自由進出。出口截面之后會有1 000 mm左右的空間處于負壓狀態，即該區域絕對壓強低于外界大氣壓強，造成除10號風機所在風筒外的其余風筒處于從外界吸氣的狀態。但是由于該負壓相對較小(＞-10 Pa)，因此氣流在這些風筒內的速度并不是很高，進入收斂段后不能及時從下游出口排出，在負壓區形成回流區。

圖10 1臺風機工作時側風裝置的跡線圖(進口總壓2 000 Pa)Fig.10 Trace diagram of working device of 1 fan with 2 000 Pa total inlet pressure

圖11 7臺風機工作時側風裝置的跡線圖(進口總壓2 000 Pa)Fig.11 Trace diagram of working device of 7 fans with 2 000 Pa total inlet pressure

圖12 19臺風機工作時側風裝置的跡線圖(進口總壓2 000 Pa)Fig.12 Trace diagram of working device of 19 fans with 2 000 Pa total inlet pressure

7臺風機工作時，在收斂段同樣會產生回流區，但其形成機理與1 臺風機工作時的形成機理不同。此時，工作風機向內吸氣會在風筒截面后形成高壓區，使被吸入空氣因為內外壓差被強行從工作風機所在風筒擠出收斂段內部空間，從而在內部形成回流區。

19臺風機工作時，在收斂段內部沒有明顯的回流區產生，流場均勻穩定。

3.2 側風裝置出口流量變化規律

上述從壓強方面解釋了1 臺風機與7 臺風機工作時收斂段內部產生回流區的原因，本節通過比較進、出口流量變化規律對產生回流區的原因進行分析說明。不同數量風機工作時的氣體流量見表1。可以看出，1 臺風機工作時，所有風筒處于進氣狀態，進氣流量等于出氣流量。7臺風機工作時，只有工作風機所在風筒進氣，而氣流從非工作風機所在風筒與下游出口流出，使得進氣流量等于出氣流量。所以1臺風機與7臺風機工作時產生回流區的方式不同。

表1 不同數量風機工作時的氣體流量Table 1 Gas flow during operation of different number of fans

圖13為進口總壓2 000 Pa時，1臺、7臺、19臺風機工作時每臺風機對進氣流量的貢獻曲線圖。從圖中可清晰看出不同數量風機工作時每臺風機輸送的流量：1臺風機工作時，幾乎所有進口流量由10號工作風機提供，其余18 臺未工作風機也有少量進氣，但對總體進口流量影響不大，只是會導致側風裝置收斂延長段內部產生輕微的紊流；7臺風機工作時，進口流量由5、6、9、10、11、14、15 號工作風機提供，其余12 臺未工作風機不僅沒有向裝置內部提供流量，反而造成吸入流量損失，進而造成收斂延伸段內部產生嚴重的回流區，對出口流量影響較大；19 臺風機工作時，由于全部風機都在工作，所以每臺風機承擔的流量近似，這與1臺風機和7臺風機工作時工作風機與非工作風機提供的流量有明顯不同。圖中也進一步說明，1臺風機和7臺風機工作時產生回流區的機理完全不同。

圖13 進口氣壓2 000 Pa時各風機流量貢獻曲線Fig.13 Contribution curve of fan flow at inlet pressure of 2 000 Pa

對比三種數量風機工作情況，1 臺風機工作時效率最高，且未工作風機也能提供一定的流量；7臺風機工作時，流場相對穩定，但未工作風機會引起一部分流量損失；19 臺風機工作時，流場穩定均勻。因此，試驗過程中應盡量選用全部19臺風機工作。

3.3 側風裝置出口速度變化規律

1 臺、7 臺、19 臺風機工作時各進口壓力下的出口速度分布云圖如圖14所示。可以看出，隨著進口總壓增大，出口速度也隨之增大，且其在單一條件中的分布也具有規律性，即越靠近壁面速度越低。1臺風機工作時，出口截面的最大速度位于中心點右上方位置，這是受未工作風機影響，使得流場紊亂所致。工作風機數量增多，流場更加均勻。

圖14 不同數量風機工作時的出口速度變化Fig.14 Variation diagram of outlet speed when different numbers of fans are working

以出口截面中心為原點建立坐標系，水平方向每間隔200 mm 取一個坐標點，原點左右取±80 mm的兩點，則出口截面處水平方向的速度分布如圖15所示。可見，出口速度在靠近壁面處會驟然下降，越靠近壁面處速度越低，且近壁面處速度梯度較大。這是因為緊貼壁面處有一層因壁面限制而導致脈動消失的層流薄層，其黏滯力使得流速急劇下降。

圖15 不同工況下的出口速度分布曲線Fig.15 Outlet velocity distribution curve under different working conditions

4 結論

利用數值模擬方法，對某發動機露天試車臺側風裝置不同工況進行了仿真計算分析，主要得出以下結論：

(1) 相比全部19 臺風機工作，中央1 臺風機工作時的總壓損失大，且氣流流動紊亂；相比中間7臺風機和全部19臺風機工作，中央1臺風機工作時的流量、速度受總壓的影響小。

(2) 中央1 臺風機單獨工作時效率最高，比19臺風機一起工作時每臺風機提供流量的能力都強，其周圍不工作的風機受壓差作用會從外界吸氣，使得側風裝置出口流量高于工作風機吸入流量，但未工作風機吸入的氣流流速低且紊亂。

(3) 19臺風機工作時，在壁面和中心區之間的區域流動較為穩定；中央1臺風機工作時，流速和壓力較高區域都偏離中心區；中間7臺風機工作時，流動相對穩定，但流量會受未工作風機影響而降低。試驗時，應盡量避免中央1臺風機和中間7臺風機工作引起的試驗誤差。