航空發動機地面試車臺排氣再吸入問題的數值研究

陳志龍CHEN Zhi-long；羌曉青QIANG Xiao-qing；曹傳軍CAO Chuan-jun；邱添QIU Tian

（①上海交通大學，上海 201108；②中國航發商發，上海 201108）

0 引言

整機室內試車臺試車時，由于發動機燃氣射流與試車臺的引射作用，試車臺進排氣流量大約是發動機流量的2到3 倍[1]。對于大涵道比渦扇發動機，在最大起飛工況下，其在試車臺內的引射作用會使進排氣流量可達3000kg/s以上，這使得試車臺外的流場將由進排氣流動所主導[2][3]。

試車臺的建造受場地限制，其空間尺寸是有限的，并結合惡劣氣候下的大氣流動，試車臺排出的氣流有可能受進氣流影響，被進氣塔再次吸入，這種排氣塔氣流被再吸入進氣塔的現象（后文簡稱再吸入現象）會導致試車臺內的流場、溫度場紊亂，從而對發動機試車產生負面影響[4]。因此在試車臺的氣動設計階段就應充分考慮再吸入的可能性，并盡量避免再吸入的發生，保證試車臺內部流場平穩流暢[5]，進而保證試車安全和有效。

試車臺環境風向風速、發動機進氣流量大小、排氣塔的高度、排氣塔與進氣塔的距離是決定是否發生再吸入現象的關鍵因素。鑒于排氣塔與進氣塔的距離，受車臺建設場地限制較大，且相關標準中有參考。本文采用數值模擬方法，主要研究前三個變量對試車臺外流與再吸入現象的影響。

1 整機試車臺外部流場分析

考慮到噪聲、工藝布局對試車臺建設的影響，很多發動機試車單位一般會在同一區域規劃多座試車臺，因此本文建立水平排列、間隙固定的兩座試車臺模型研究試車臺外流流場。且本文研究的是試車臺進排氣再吸入現象，因此模型設置環境氣流大致方向為排氣塔流向進氣塔。如圖1 所示。

圖1 試車臺外流氣動力示意圖

根據當地的風玫瑰圖與發動機工況，選取最嚴格的環境流動與內流工況作為仿真模擬的輸入，其中當地環境全年統計超過1%的最高風速為22 節；選取由排氣塔吹向本身的進氣塔（正北風）與排氣塔吹向相鄰進氣塔（西北風22.9°）為最嚴苛環境流動[6]，并按照排氣塔分別增高0.25D、0.375D、0.5D 計算試車臺外流流場（D 為試車間橫截面邊長）。

2 數值計算模型與方法

2.1 試車臺模型

試車臺主要由進氣塔、試車間、引射筒、排氣塔組成，參考相關標準，排氣塔高2.82D，進氣塔高1.83D。同時，考慮試車臺內的消音板、導流板、開孔擴壓器等對外流沒有影響，應當簡化外流模型。

2.2 控制體選取

仿真控制體為模擬無限遠處的環境流場，除了定義邊界為無反射恒定流場邊界外，拉伸邊界到模型的距離，以消除計算邊界對仿真的影響。

2.3 流體域網格

流體網格劃分過程中，按照結構特點對流體域進行了分割，并在全區域采用結構化網格。為在獲得流場特性的同時，減少網格總數，設置網格尺寸由試車臺至遠場逐漸放大，流體域網格數量總計約為1500 萬。

2.4 湍流模型與數值算法

流場計算采用隱式格式求解對流項，采用有限體積法求解N-S 方程，湍流模型選用Realizable k-ε 模型。遠場為無反射邊界，壁面無滑移、無穿透，在近壁面垂直于壁面的方向上的壓力梯度為零。

3 結果分析

3.1 試車臺外流流場基本結構

排氣流分別受排氣動能與環境氣流速度兩方面作用，將在排氣塔口上升的同時，向下風口處移動。在接近進氣塔口時，由于流體粘性的作用，排氣流會如圖2 所示，受進氣流的影響，向下方偏轉，并結合環境動能，被進氣塔再吸入或流出進氣塔影響范圍。

圖2 試車臺排氣流線（馬赫數）分布

3.2 風向對試車臺進排氣流的影響

本節仿真計算對比中，環境流動分為以下兩種情況：①風速達到當地年度占比時間高于1%的最大風速22 節（約11.3m/s），水平風向由排氣塔指向本座試車臺的進氣塔（正北風），發動機在最大起飛工況；②風速達到當地年度占比時間高于1%的最大風速22 節（約11.3m/s），水平風向由排氣塔指向相鄰試車臺的進氣塔（西北風22.9°），發動機在最大起飛工況。

如圖3 所示，發動機的最大起飛工況下，相比于環境流動，排氣流在垂直方向上占主導地位，因此排氣流沒有進入進氣流的影響區，兩者都沒有再吸入現象發生。

圖3 不同風向流動對試車臺外流的影響

但在放大進氣塔附近的流場，從圖4 中可以看出，正北風下，進氣流在垂直方向的影響區為1.01D，而在西北風下，進氣流在垂直方向的影響區僅0.73D，說明正北風更容易導致再吸入現象發生。

圖4 不同風向流動對進氣流線的影響

3.3 發動機工況對試車臺進排氣流的影響

發動機工況的變化將導致試車臺進排氣流量的變化，從而改變環境水平流動與進排氣垂直流動的相互影響，當環境水平流動占主導作用后，排氣流線將在排氣塔出口外立即轉向，最終增加被再吸入的風險。

如圖5 所示，在慢車工況下，由于垂直氣流作用的減小，環境水平流動占主導作用，導致排氣流在排氣塔內側形成旋渦，這時進氣流受環境流動影響，上游流線延伸至排氣流上方，這導致在垂直方向上，進氣流將排氣流包裹，大大增加了再吸入的風險。

圖5 正北風22 節下不同發動機工況對試車臺外流的影響

在最大起飛工況下，進排氣兩者的粘性影響大大減弱，使得進氣流影響區趨向于水平延伸，完全避免了再吸入的風險。

試車臺應保證在慢車工況下的排氣流脫開進氣流影響區，才能保證在發動機全工況下都沒有再吸入現象的發生。

3.4 試車臺排氣塔高對試車臺進排氣流的影響

根據上文所述，避免再吸入發生需要保證排氣流高于進氣流的影響區，對于試車臺氣動設計，最直接的方法就是增高排氣塔高度，以改善試車臺外流流場。排氣流的初始高度升高，排氣流在下游逐漸脫開進氣流的影響區，避免了再吸入的發生，如表1。

表1 試車臺外流仿真再吸入分析匯總

4 結論

本文采用數值模擬方法對試車臺排氣再吸入現象進行了研究，得到了如下結論：

①在相鄰多臺試車臺同時工作的情況下，平行于進排氣塔連線方向的風向相比于傾斜風向更容易導致再吸入。在同等風速下，正北風環境比西北風22.9°的進氣影響區高0.28D。

②發動機慢車工況排氣流更容易進入進氣流動的影響區，增加再吸入的風險，需要設計保證在慢車工況下排氣流在垂直方向上高于進氣流影響區，即進排氣塔高度差小于0.75D，才能使得發動機全工況下都不會發生再吸入現象。

③增高排氣塔會提高排氣流動的初始高度，減弱進氣流對排氣流的粘性影響，從而減小再吸入的風險。