S彎進(jìn)氣道吞水過程仿真分析

田方超，趙肅，楊瀚超

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

飛機(jī)在雨中飛行或在起飛、著陸過程中輪胎濺水均有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)吞水，吞入大量的液態(tài)水可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能降低、喘振甚至熄火[1]。因此，在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計研制過程中需要開展吞水試驗[2-4]，以驗證發(fā)動機(jī)是否具有良好的吞水能力，并掌握吞水對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律[5-7]。中國渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)吞水試驗主要依據(jù)國軍標(biāo)[8-9]要求開展，其中規(guī)定發(fā)動機(jī)最大吞水量要達(dá)到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量的5%，并且要有50%液態(tài)水通過發(fā)動機(jī)進(jìn)口的1/3扇形面積。但未明確指出這“1/3扇形面積”是否在發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面的周向位置。在實際開展的第3代發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗中，由于其配裝進(jìn)氣道主要為“直通型”，考慮液態(tài)水滴的重力下沉現(xiàn)象，此“1/3扇形面積”往往給定為發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面的正下方[10]。

對于第4、5代戰(zhàn)機(jī)，為提高隱身性能，往往配裝全遮擋的大S彎進(jìn)氣道，該類進(jìn)氣道吞水后，由于進(jìn)氣道型面彎折較大，液態(tài)水滴達(dá)到發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面后，其集中分布情況可能與傳統(tǒng)經(jīng)驗不一致，即有可能出現(xiàn)高水量區(qū)域不在發(fā)動機(jī)進(jìn)口下方的情況。對于發(fā)動機(jī)控制而言，進(jìn)行發(fā)動機(jī)主要截面溫度、壓力測量的受感部在周向有特定的位置分布，發(fā)動機(jī)進(jìn)口水量分布差異會對不同的傳感器帶來不同程度的干擾，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)整機(jī)控制能力，若在發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗中采用了不符合實際使用條件的水量分布，有可能對發(fā)動機(jī)吞水能力評判帶來影響。因此，有必要針對發(fā)動機(jī)裝機(jī)所采用的進(jìn)氣道構(gòu)型開展進(jìn)氣道吞水過程研究。隨著計算機(jī)與計算方法的發(fā)展，數(shù)值仿真手段在吞水、霧化等方面的應(yīng)用越來越廣泛。李衛(wèi)強(qiáng)[11]、白鵬博等[12]對吞水試驗臺噴霧系統(tǒng)霧化效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了噴嘴布置形式與噴嘴壓力對霧化效果的影響；劉昌波等[13]提出了一種霧化過程的歐拉-拉格朗日耦合算法，可以大幅縮短霧化仿真的計算周期；Berthoumieu等[14]進(jìn)行了液滴破碎仿真分析，給出了發(fā)生氣動破碎的臨界韋伯?dāng)?shù)；Hsiang等[15]開展了關(guān)于二次霧化的計算研究，表明液滴顆粒的韋伯?dāng)?shù)越大，破碎相對更加明顯。

為獲取液態(tài)水經(jīng)過進(jìn)氣道后在發(fā)動機(jī)進(jìn)口截面的分布情況，為發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗提供輸入條件，本文采用3維數(shù)值仿真方法，開展了大S彎進(jìn)氣道吞水過程數(shù)值仿真研究。

1 仿真方法

1.1 仿真模型

F-35戰(zhàn)斗機(jī)采用了大S彎的無附面層隔道超音速進(jìn)氣道（Diverterless Supersonic Inlet，DSI）進(jìn)氣道，根據(jù)F-35戰(zhàn)斗機(jī)實景照片（如圖1所示）[16]，模擬重建了F-35飛機(jī)進(jìn)氣道模型作為本文研究對象，為對接后方發(fā)動機(jī)進(jìn)口，將進(jìn)氣道出口轉(zhuǎn)化成圓形。模型主要包含部分前體機(jī)身、進(jìn)氣道口部鼓包、進(jìn)氣道內(nèi)壁面等結(jié)構(gòu)。進(jìn)氣道幾何尺寸大小由對接的發(fā)動機(jī)進(jìn)口尺寸確定。進(jìn)氣道總長約8.4 m，出口直徑與對接的發(fā)動機(jī)進(jìn)口直徑一致。

圖1 F-35戰(zhàn)斗機(jī)實景照片[16]

1.2 網(wǎng)格及仿真設(shè)置

根據(jù)進(jìn)氣道模型劃分計算網(wǎng)格，如圖2所示。對計算域內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的進(jìn)氣道口部區(qū)域、內(nèi)流道進(jìn)行局部加密，所有壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，以便更準(zhǔn)確的計算液滴與壁面的相互作用，全局網(wǎng)格量為320萬左右。

圖2 計算網(wǎng)格

本文需要求解空氣與水的耦合流動，對于不同組分有針對性的選取相應(yīng)的計算模型，進(jìn)行聯(lián)合求解：針對本文研究對象的流動特性，空氣相（連續(xù)相）采用基于有限體積法的N-S方程求解器，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，使用2階流動精度格式進(jìn)行方程求解。對于邊界條件設(shè)置，進(jìn)氣道出口設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet），通過調(diào)整背壓實現(xiàn)進(jìn)氣流量與發(fā)動機(jī)狀態(tài)匹配，背壓由發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)所需流量確定。計算域邊緣設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場（pressure-far field），遠(yuǎn)場來流速度為0 m/s，大氣條件按標(biāo)天給定，壓力為101.3 kPa，溫度為288.15 K。計算結(jié)果的收斂以通道內(nèi)監(jiān)控面的流量、平均馬赫數(shù)、平均總壓的殘差穩(wěn)定且全部小于10-3為衡量準(zhǔn)則。

外流場進(jìn)口為壓力遠(yuǎn)場，按地面標(biāo)天條件給定溫度、壓力等所需參數(shù)；進(jìn)氣道出口為壓力出口條件，背壓由發(fā)動機(jī)最大狀態(tài)所需流量確定。計算結(jié)果的收斂以通道內(nèi)監(jiān)控面的流量、平均馬赫數(shù)及平均總壓恒定為衡量準(zhǔn)則。

根據(jù)國軍標(biāo)要求，發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗中最大吞水量為發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣流量的5%，屬于稀多相流問題，水滴與空氣之間的相互作用適用于離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）進(jìn)行求解，計算考慮重力影響，液滴破碎計算采用Wave模型，對高速環(huán)境下的液滴破碎模擬具有更高的精度，碰撞計算采用O’Rourke模型[17]，在計算過程中對水滴粒子進(jìn)行實時跟蹤。

開展網(wǎng)格無關(guān)性研究，針對該進(jìn)氣道，搭建網(wǎng)格總量分別為181、320和593萬的進(jìn)氣道仿真算例，3種方案計算結(jié)果對比見表1。采用進(jìn)氣道出口總壓畸變指數(shù)及總壓恢復(fù)系數(shù)這2個關(guān)鍵的進(jìn)氣道特性參數(shù)為對比參數(shù)，以320萬網(wǎng)格的計算結(jié)果為基準(zhǔn)值，181萬網(wǎng)格的計算結(jié)果與其有明顯偏差，593萬網(wǎng)格的計算結(jié)果與與其基本一致。因此，出于提升計算效率和保證計算精度兩方面綜合考慮，最終確定計算模型的網(wǎng)格總量為320萬。

表1 3種方案計算結(jié)果對比

1.3 仿真算例

為使研究內(nèi)容更加完整翔實，在進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場、吞入噴射裝置產(chǎn)生的液態(tài)水、吞入雨天空氣中的液態(tài)水3種條件下進(jìn)行數(shù)值仿真。

在進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場仿真中，不考慮液相，目的是獲取無水條件下進(jìn)氣道流場特性，作為對比分析的基準(zhǔn)流場；在吞入噴射裝置產(chǎn)生的液態(tài)水仿真中，在進(jìn)氣道進(jìn)口外設(shè)置12個噴嘴，總噴水量為空氣流量的5%，噴出水滴粒徑給定為2 mm，液態(tài)水溫度給定與空氣溫度一致；在吞入雨天空氣中的液態(tài)水仿真中，進(jìn)氣道口部外的整個計算域內(nèi)給定均布的液滴，模擬飛機(jī)在真實雨天環(huán)境下的吞水過程。

1.4 仿真方法驗證

采用某Ma2級進(jìn)氣道的試驗結(jié)果對本文所采用的連續(xù)相（空氣相）計算方法進(jìn)行可靠性驗證，通過在中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所開展的全尺寸進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)的地面臺架聯(lián)合試驗[18]，獲取了在不同發(fā)動機(jī)狀態(tài)下進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)。本文對該進(jìn)氣道進(jìn)行了幾何建模，采用本文提出的仿真方法對其試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了數(shù)值仿真計算，計算中通過調(diào)整進(jìn)氣道出口壓力，保證進(jìn)氣道流量與對應(yīng)試驗點(diǎn)進(jìn)氣流量相同，對于同一模型，幾何尺寸一致，進(jìn)氣流量相同則馬赫數(shù)相同，因此進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)具有可比性。仿真與試驗獲得的進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)對比如圖3所示。從圖中可見，在不同發(fā)動機(jī)流量下，仿真獲得的進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)與試驗結(jié)果具有較好的一致性，相對誤差最大為3.54%，在工程可接收范圍內(nèi)，證明本文提出的仿真方法可靠。

圖3 仿真與試驗獲得的進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)對比

中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所采用全尺寸進(jìn)氣道配裝發(fā)動機(jī)開展了吸入高溫水蒸氣試驗研究，通過在進(jìn)氣道出口加裝總溫測耙（6支5點(diǎn)，共30個測點(diǎn)）獲取了進(jìn)氣道出口截面溫度分布。本文對該試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了幾何建模，采用本文提出的仿真方法進(jìn)行了進(jìn)氣道吞入水蒸汽過程的仿真分析，仿真中水滴溫度、水滴流量、發(fā)動機(jī)狀態(tài)等與試驗條件保持一致。仿真與試驗獲得的進(jìn)氣道出口總溫分布圖譜對比如圖4所示。從圖中可見，在相同發(fā)動機(jī)狀態(tài)及水蒸氣吸入量下，進(jìn)氣道出口總溫分布圖譜具有較好的一致性，均表現(xiàn)為右上方高溫區(qū)、左下方低溫區(qū)，同時面平均溫度試驗結(jié)果為34.6℃、仿真結(jié)果為38.1℃，相對誤差為9.2%，對于多相流復(fù)雜流動來說，計算誤差在工程可接受范圍內(nèi)，證明本文提出的仿真方法可靠。

圖4 仿真與試驗獲得的進(jìn)氣道出口總溫分布圖譜對比

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場

進(jìn)氣道空氣速度流線如圖5所示。空氣從進(jìn)氣道前方及四周被吸入，進(jìn)入進(jìn)氣道后空氣流速明顯提高，由于進(jìn)氣道中部設(shè)置喉道，流入空氣呈現(xiàn)先增速后減速狀態(tài)，最大速度達(dá)到304 m/s。由于進(jìn)氣道型面呈S型，部分流線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在進(jìn)氣道流道內(nèi)出現(xiàn)旋流。

圖5 進(jìn)氣道空氣速度流線

2.2 吞入噴射裝置產(chǎn)生的液態(tài)水

噴水裝置布置于進(jìn)氣道進(jìn)口前方，通過若干噴嘴噴出水滴，在進(jìn)氣道抽吸力的作用下被進(jìn)氣道吞入。根據(jù)國軍標(biāo)[9]要求制定噴水方案：噴水量為發(fā)動機(jī)空氣流量的5%，噴出水滴粒徑為2 mm，噴射速度為20 m/s。

水滴被進(jìn)氣道吸入的過程如圖6所示，顏色深度表示水滴速度大小。從圖中可見，水滴噴出時速度較低，隨著進(jìn)入進(jìn)氣道，受到進(jìn)氣道入口處鼓包擠壓并被空氣裹挾，速度提高，最高速度約在進(jìn)氣道中部喉道處，數(shù)值與空氣流速基本一致。水滴速度流場與空氣速度流場極為相似，說明大部分水滴被空氣裹挾流動，隨動性較好。從開始噴水進(jìn)行計時，由于空氣流速較高，水滴噴出后約0.1 s快速到達(dá)進(jìn)氣道出口，整個吞水過程迅速完成。

圖6 水滴被進(jìn)氣道吸入的過程

水滴粒徑尺寸分布如圖7所示。從圖中可見，水滴經(jīng)過進(jìn)氣道后并沒有合并，而是破碎。在高速氣流沖刷撞擊下，液滴粒徑迅速減小，從噴嘴噴出的水滴粒徑為2 mm，進(jìn)氣道內(nèi)粒徑均值為36 um，減小約55倍。同時，在進(jìn)氣道后段，水滴粒子主要分布在進(jìn)氣道流道上部，這是由于粒徑過小，水滴粒子主要隨空氣流線運(yùn)動，重力影響微弱，并未發(fā)生向下沉積現(xiàn)象。

圖7 水滴粒徑尺寸分布

進(jìn)氣道出口截面水滴流量分布如圖8所示。從圖中可見，水滴在進(jìn)氣道出口左上角區(qū)域較為集中，右側(cè)亦有分布，而在左下角分布較少。將進(jìn)氣道出口截面等分成3個扇區(qū)，各扇區(qū)水量分布見表2。從表中可見，扇區(qū)1水量占比最高，達(dá)到了55%。通過仿真計算得到的水量分布情況，與之前發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗方式（50%水通過下方1/3扇形面積）有明顯差異，對于該類型面彎折較大的進(jìn)氣道，需根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計試驗方案，才能更準(zhǔn)確的驗證發(fā)動機(jī)的吞水能力。

圖8 進(jìn)氣道出口截面水滴流量分布

表2 各扇區(qū)水滴流量占總水量比例

針對水滴主要在進(jìn)氣道左上角分布的特性進(jìn)行分析，水滴分布沿程變化如圖9所示，進(jìn)氣道流道型面變化如圖10所示。從圖中可見，由于受其他方向空氣來流的擠壓，水滴在進(jìn)氣道入口處集中在右側(cè)中部，由于進(jìn)氣道流道呈S型且進(jìn)、出口中心存在偏移，產(chǎn)生了旋流效應(yīng)，空氣流線在進(jìn)氣道內(nèi)沿逆時針方向“擰麻花”，水滴的流動受空氣裹挾的影響，導(dǎo)致高水量區(qū)域逆時針遷移，最終在進(jìn)氣道出口時水滴主要集中在左上側(cè)區(qū)域。

圖9 水滴分布沿程變化

圖10 進(jìn)氣道流道型面變化

為了更好、更全面的為臺架噴水裝置設(shè)計提供參考，進(jìn)氣道出口截面水滴粒徑及水滴速度分布如圖11所示。進(jìn)氣道出口水滴粒徑非常微小，均值為35 μm，并且進(jìn)氣道出口截面各位置處粒徑尺寸分布十分均勻。進(jìn)氣道出口水滴速度分布差異性較大（圖7），從噴嘴噴出的水滴在進(jìn)氣道入口處即迅速破碎，在進(jìn)氣道內(nèi)與空氣的隨動性較好，均表明進(jìn)氣道出口水滴粒子速度分布與空氣速度分布基本一致。

圖11 進(jìn)氣道出口截面水滴粒徑及水滴速度分布

2.3 吞入雨天空氣中的液態(tài)水

在進(jìn)氣道前方及周圍的空氣中給定均勻分布的大量水滴粒子，在進(jìn)氣道抽吸力的作用下被進(jìn)氣道吞入。采用與第2.2節(jié)相同的仿真方法、進(jìn)氣道模型、吞水量及水滴粒徑，模擬真實下雨天氣，對進(jìn)氣道吞水過程進(jìn)行了仿真。

在仿真結(jié)果中，進(jìn)氣道出口水滴粒徑、水滴速度分布與圖11結(jié)果基本一致，在此不再贅述，主要分析水滴流量分布的差異。在整體流場中水滴分布如圖12所示。從圖中可見，在進(jìn)氣道前大范圍區(qū)域均勻存在水滴，模擬真實下雨天氣的水滴分布，被進(jìn)氣道吸入后水滴速度變化與第2.2節(jié)中的計算結(jié)果相似，均為先增速后減速，但在進(jìn)氣道后段，下方水滴增多。進(jìn)氣道出口水滴流量分布如圖13所示。從圖中可見，水滴分布趨勢與第2.2節(jié)計算結(jié)果一致，最高水量區(qū)域同樣為左上角，但整體分布更加均勻。進(jìn)氣道出口截面水滴流量占比見表3。對比表2可見，扇區(qū)1水量占比大幅減小，扇區(qū)2的基本不變，扇區(qū)3的水量占比有較大提升。

表3 進(jìn)氣道出口截面水滴流量占比（雨天）

圖12 整體流場中水滴分布（雨天）

圖13 進(jìn)氣道出口截面水滴流量分布（雨天）

在雨天吞水條件下水滴分布沿程變化如圖14所示。對比圖9可見，2個算例中水量分布變化趨勢相似，均由進(jìn)氣道的S彎構(gòu)形導(dǎo)致了高水量區(qū)域的逆時針遷移。但在雨天吞水結(jié)果中，由于空氣中遍布水滴，進(jìn)氣道從口部四周吸入的空氣流線中均攜帶水滴粒子，因此進(jìn)氣道入口處的水量分布更加均勻，使得進(jìn)氣道出口分布也更均勻。綜合這2個算例可見，通過進(jìn)氣道口部直接噴水來驗證發(fā)動機(jī)雨天吞水工作能力的方式有待商榷，試驗條件相比發(fā)動機(jī)真實工作環(huán)境更為惡劣。

圖14 水滴流量分布沿程變化（雨天）

建議發(fā)動機(jī)吞水能力考核還是通過發(fā)動機(jī)臺架試驗來實施，前提是通過進(jìn)氣道仿真或試驗測量獲取進(jìn)氣道出口截面水量分布圖譜，作為發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗方案設(shè)計的輸入條件。

3 結(jié)論

（1）采用搭建的S彎進(jìn)氣道模型，開展了無水及吞水狀態(tài)下進(jìn)氣道3維數(shù)值仿真，經(jīng)算例驗證，仿真方法可靠。

（2）水滴被吞入進(jìn)氣道后并非合并而是在高速空氣流線沖擊下迅速破碎，水滴粒徑顯著減小，隨后被空氣裹挾流動，且隨動性較好，重力對水滴顆粒運(yùn)行軌跡的影響微弱。

（3）進(jìn)氣道內(nèi)流道的S型彎折導(dǎo)致空氣流動存在旋流，進(jìn)氣道沿程截面上的高水量分布區(qū)域隨之遷移，對于本文研究的S彎進(jìn)氣道，水滴粒子在進(jìn)氣道出口左上角區(qū)域較為集中。這種分布形式不同于之前開展的發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗中所采用的噴水方案，需要對噴水方案進(jìn)行針對性的調(diào)整，以便更好地考核發(fā)動機(jī)吞水能力。

（4）通過進(jìn)氣道口部噴嘴噴水得到的進(jìn)氣道出口水量分布圖譜，其不均勻性相比真實雨天工作情況更為嚴(yán)重，以此種方式進(jìn)行地面進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)聯(lián)合吞水試驗不能較好的反映真實工作環(huán)境下的發(fā)動機(jī)吞水能力。應(yīng)通過數(shù)值仿真或試驗測量獲取進(jìn)氣道出口水量分布圖譜，以此為依據(jù)開展發(fā)動機(jī)臺架吞水試驗來驗證發(fā)動機(jī)吞水能力。