基于數值計算的拋鳥軌跡影響因素研究

馮傳奇，張久峰，張琦

中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089

隨著飛行事業的不斷發展，飛行頻次增加，低空飛行任務增多，飛行包線擴大，飛機各部位遭到鳥、沙礫、螺栓等外物撞擊的次數明顯增多，尤以鳥撞擊最為突出[1-2]。鳥撞擊作為軟物撞擊的一種典型形式，是指鳥類與飛行中的飛機或其部件發生碰撞，造成損傷或者災難事故[3]。鳥撞擊作為一種突發、多發的事故，嚴重威脅著航空飛行安全，甚至會造成災難性的后果。基于此，鳥撞擊成為飛機及發動機設計中必須考慮的重要內容之一[4]。

目前，歐美國家相繼在FAR-33部[5]以及CS-E[6]中提出民用航空發動機吞鳥適航要求，都將發動機吞鳥試驗列入民用發動機合格審定考核項目[7]，我國在GJB 3727—1999[8]、GJB 241A—2010[9]及CCAR-33-R2[10]中也對航空發動機吞鳥試驗要求提出了明確規定，可見發動機吞鳥試驗仍然是鑒定發動機在起飛、降落及低空飛行時是否具有耐鳥撞能力不可或缺的手段[11]。航空發動機吞鳥試驗要求中規定試車臺應有一套能把一定重量（質量）和數量的鳥，按所要求的速度拋入發動機的拋鳥設備，拋鳥設備應具有準確命中目標和多鳥發射的能力。發動機吞鳥試驗通常采用氣炮裝置作為拋鳥設備，主要原理為：將彈體放入炮膛中，安裝活塞和堵蓋。活塞和堵蓋中間有空腔，空腔內充氣擠壓活塞密封氣室，當此空腔的氣體釋放后，氣室的氣體進入氣炮炮膛，推進彈殼加速前進，鳥體隨彈殼一起飛出，彈殼在炮管出口處被集殼器阻擋并收集。

在采用空氣炮發射方式進行發動機吞鳥試驗時，鳥體運動軌跡受多種因素影響，可能出現發射的鳥體無法達到指定速度及命中目標位置的情況，為保證拋鳥準確度及試驗安全，吞鳥試驗前一般要經過多次調整靶試試驗。因此，在發動機吞鳥試驗前對拋鳥軌跡進行仿真計算，并以仿真結果作為參考確定鳥體發射速度及位置，可以極大減少調試成本，節約時間與資源。

目前，國內關于吞鳥的仿真計算集中在鳥撞擊風扇模擬分析方法上，包括撞擊理論模型、撞擊損傷理論、鳥體模型研究、高應變率下材料性能、鳥撞擊接觸理論研究、撞擊影響分析等[12-14]。主要計算方法有基于Ansys/Dyna平臺的接觸沖擊算法、基于MSC.DYTRAN 平臺的流固耦合方法以及基于PAM-CRASH 平臺的SPH 方法等多種模擬分析方法[15-17]。針對航空發動機吞鳥試驗中鳥軌跡的仿真計算還很少，因此，本文以幾種典型鳥體模型為對象，對發動機吞鳥過程中的鳥軌跡變化及其影響因素進行了仿真研究，分析了不同鳥體模型、發射位置、發射速度及發動機引氣狀態對鳥體運動軌跡、速度及流場特性的影響，從而為航空發動機吞鳥試驗提供了有力支撐。

1 數值計算方法

現階段數值模擬中處理運動邊界主要有三種方法：第一種是基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）算法的貼體網格方法：計算網格隨物體運動邊界的變化而變化，并始終貼壁，主要采用非結構網格的生成策略；第二種是基于均勻笛卡兒網格的方法：生成均勻笛卡兒網格；第三種是嵌套網格方法：分割計算網格成幾部分，彼此嵌套或重疊，貼體部分網格跟隨物體共同運動。嵌套網格方法對于模擬多體耦合、大轉角運動等問題具有更大的優勢。嵌套網格容易生成，對網格質量的要求不高，有利于計算。

嵌套網格也稱作Chimera 網格或者重疊網格，普遍認為是由Steger首先提出的[18]。嵌套網格方法的基本思想是分割區域再組合網格。通過分析計算域將計算區域分解成若干子區域，在各個子區域生成各自的網格。通過預處理操作，刪除無效網格，在嵌套區域上建立網格間的變量傳遞關系。此時將得到且僅得到一套可用的計算網格，數值求解將在這套網格上進行。子區域可使用不同的求解器獨立求解，求解收斂即得到計算域的流場分布。

2 模型與網格

為了對航空發動機吞鳥試驗中拋鳥軌跡的影響因素進行研究，選擇不同幾何外形和重量的鳥體進行建模仿真。鳥體的幾何形狀和重量與鳥的種類有關，根據GJB 3727規定，航空發動機吞鳥試驗中鳥的重量分為三個級別：大鳥1.8～2kg、中鳥0.9～1kg、小鳥50～100g。參考相關標準及試驗，結合國內機場鳥情和全國范圍內高風險鳥類的總體分布情況[19]，建立三種典型鳥體模型，分別為麻雀模型、環頸雉模型及兩端半球中間圓柱簡化鳥體模型，其中，三種鳥體模型的具體尺寸與重量見表1，兩端半球中間圓柱簡化鳥體為試驗和仿真分析鳥撞問題時常采用的簡化模型，如圖1所示。

表1 鳥體模型參數Table 1 Parameters of bird body model

圖1 不同種類鳥體模型Fig.1 Bird models of different types

考慮發動機工作狀態對拋鳥軌跡的影響，建立標準圓形進氣道模型，半徑為452.5mm，計算域整體尺寸為4m×4m×5m，圖2 為進氣道三維模型及其網格劃分示意圖。考慮到鳥體模型并不規則，模型上曲面和銳角較多及不同計算工況下鳥體位置發生變化，若采用結構網格進行劃分會大大增加工作量，降低計算效率，所以均采用四面體非結構化網格，并在鳥體附近及其大致運動軌跡范圍內進行局部加密，在保證網格質量的同時提高計算效率與精度。

圖2 進氣道模型及計算域網格Fig.2 The model of air intake and computational domain grid

通過氣炮裝置進行航空發動機吞鳥試驗時，鳥體幾何外形、質量，鳥體發射速度、位置和發動機狀態均會對拋鳥軌跡產生影響。因此，確定拋鳥軌跡影響因素見表2，其中，發射距離l為鳥體模型質心到進氣道進口截面之間的距離，鳥撞擊點徑向位置h用葉片高度h0的百分比表示，h0可視為與進氣道半徑一致，且撞擊點均位于12點鐘方向。發動機工作狀態用進口氣流壓力表示，表中三個值分別對應發動機處于最大、中間和慢車狀態。為了模擬拋鳥過程中各因素對拋鳥軌跡的影響，進氣道入口處采用壓力入口邊界條件，首先進行穩態計算得到對應工況下的流場分布，隨后賦予鳥體初始運動速度并轉為瞬態計算得到鳥體運動軌跡及運動過程中流場特性的變化情況。

表2 鳥軌跡影響因素Table 2 Influencing factors of bird trajectory

為了保證計算的準確性，需要對數值計算方法進行驗證，選取某型渦扇航空發動機吞鳥模擬試驗的結果與數值仿真計算結果進行對比分析。選擇質量為1.8kg 的家鴿為試驗鳥體，發射速度為100m/s，發射距離為2.5m，目標位置為6 點徑向位置80%葉高處，發動機吞鳥試驗中鳥體位置與數值計算得到的鳥體位置對比如圖3所示，可以看出，在相同時刻，數值仿真計算得到的鳥體位置變化與吞鳥試驗得到的結果基本一致，所以可認為，采用的數值計算方法滿足要求，計算得到的結果準確可靠。

圖3 吞鳥試驗(上)鳥體位置與數值計算(下)結果對比Fig.3 Comparison between bird position between numerical calculation results and bird ingestion test

3 計算結果與分析

3.1 發射速度對鳥軌跡的影響

這里以質量為1.8kg 的中間圓柱兩端半球鳥體模型為對象，選擇發射高度h=80%h0，發射距離l=2.0m，發動機狀態為中間狀態，即p=85000Pa，分別對發射速度為ν=80m/s、ν=100m/s、ν=150m/s、ν=180m/s情況下的拋鳥運動過程進行仿真研究，圖4為不同發射速度下鳥體運動軌跡（Z-X）曲線圖。從圖4 中可以看出，鳥體在運動到進氣道進口截面過程中，由于重力及發動機進氣流場的作用，其運動軌跡呈拋物線狀。發射速度越大，鳥體質心下移距離越小，但整體下移距離均小于5mm，所以可以認為在這些發射速度下，鳥體均能夠達到預期的位置。圖5 為發射速度ν=100m/s、ν=150m/s 時鳥體運動速度隨距離變化曲線，從圖5 中可以看出，鳥體在遠離進氣道時因受到氣流阻滯而速度逐漸減小，在靠近進氣道時因受到發動機引氣作用而速度逐漸增大，最終到達進氣道入口處的速度較初始發射速度降低不超過1m/s。

圖4 不同發射速度鳥體運動軌跡Fig.4 The trajectory of the bird under different launch velocities

圖5 不同發射速度鳥體運動速度變化曲線Fig.5 The bird speed under different launch velocities

3.2 發射位置對鳥軌跡的影響

在發動機吞鳥試驗中，通常會將鳥體從不同距離和高度打出以考察對葉片的損傷程度，圖6（a）為發射距離l分別為2.0m、2.5m、3.0m 時，鳥體運動軌跡（Z-X）曲線和速度變化曲線。從圖6（a）中可以看出，發射距離越遠，鳥體到達進氣道進口截面時重心下降的距離越大，但都不超過10mm。從圖6（b）中可以看出，鳥體受到發動機引氣氣流影響，速度先降低后增大，且不同發射距離的鳥體在相同位置處速度開始增大，發射距離越遠，運動前段鳥體速度降低的越多。

圖6 不同發射高度鳥體運動軌跡和速度變化曲線Fig.6 The trajectory and speed of the bird under different launch heights

同時，選擇發射距離l=2.0m，發動機狀態為中間狀態，即p=85000Pa，發射速度為ν=80m/s，發射高度h分別為20%h0、50%h0、80%h0的吞鳥過程進行數值仿真，對計算結果進行分析發現，發射位置越高，鳥體運動軌跡距離進氣道中心軸線則越遠，進氣道引氣的氣體速度與鳥體運動速度之間的夾角越大，鳥體尾部高速區域越偏下，鳥體下側的低壓區域范圍越大。受進氣道引氣流場影響，發射位置高的鳥體，其重心下移距離更大。

3.3 發動機狀態對鳥軌跡的影響

在吞鳥試驗中，當發動機處于不同工作狀態時，其引氣流量的差異會導致鳥體飛行區域內的流場發生變化，從而影響鳥體運動軌跡及速度。

圖7為發動機在慢車、中間和最大狀態，即p=95000Pa、p=85000Pa和p=80000Pa時鳥體運動速度隨距離變化曲線。從圖7中可以看出，受進氣道引氣流場影響，鳥體運動速度先減小后增大，且當發動機處于最大狀態時，鳥體在運動后段的速度增加更大。圖8為三種發動機狀態下鳥體運動過程中其質心繞Y軸旋轉角度隨時間變化曲線，鳥體運動過程中姿態角變化均很小，在遠離進氣道進口截面時基本不變，靠近進氣道后，鳥體繞Y軸旋轉角度即俯仰角隨發動機狀態增大而增大。

圖7 不同發動機狀態下鳥體運動速度變化曲線Fig.7 The speed of bird under different engine states

圖8 不同發動機狀態下鳥體姿態角度變化曲線Fig.8 The attitude angle of bird under different engine states

3.4 鳥體種類對鳥軌跡的影響

在航空發動機吞鳥試驗中，不同種類鳥的幾何外形與質量不同，會對其運動軌跡產生影響。選擇發射速度ν=80m/s，發射高度h=80%h0，發射距離l=2.0m，發動機狀態為中間狀態，即p=85000Pa，分別對m=0.05kg的麻雀模型和m=1.0kg的環頸雉模型的拋鳥運動過程進行仿真研究。圖9 和圖10 分別為兩種鳥體模型在運動過程中相同時刻的速度及壓力分布云圖，從圖中可以看出，鳥體在運動過程中頭部前端和頸部區域氣流經滯止后隨鳥體一起向前運動，形成一個高速高壓區域，同時尾部氣體向鳥體運動方向回流，也形成一個高速高壓區域，軀干上下兩側則形成低速低壓區域。對比兩種模型運動過程中的流場分布特性，可以發現體型、質量較小的鳥體受到發動機引氣的影響更大。

圖9 不同鳥體模型速度分布Fig.9 The velocity distribution under different bird models

圖10 不同鳥體模型壓力分布Fig.10 The pressure distribution under different bird models

對比分析了兩種鳥體模型的運動軌跡及姿態角度的變化，如圖11（a）所示，在運動前段，兩種模型的運動軌跡基本一致，在運動后段受到發動機進氣影響，環頸雉模型重心下降的距離更多。圖11（b）為鳥體在運動過程中的姿態角度變化，可以看出，簡化麻雀模型的俯仰角變化要遠大于簡化環頸雉模型，簡化麻雀模型受到氣流影響會有明顯的抬頭趨勢，俯仰角接近30°。

圖11 不同模型鳥體運動軌跡和姿態角度變化曲線Fig.11 The trajectory and attitude angle of bird under different models

4 結論

本文對航空發動機吞鳥試驗過程中的鳥軌跡變化及其影響因素進行了數值仿真研究，對比分析了不同鳥體模型、發射位置、發射速度及發動機引氣狀態對鳥體運動軌跡、速度及流場特性的影響。主要結論如下：

（1） 鳥體發射速度分別為80m/s、100m/s、150m/s、180m/s時，鳥體在運動過程中重心下移距離隨發射速度增大而減小，鳥體在運動前段的速度衰減與發射速度成正比，在運動后段的速度增加與發射速度成反比。

（2） 發動機狀態分別為慢車、中間和最大，即進氣道出口壓力p分別為95000Pa、85000Pa 和80000Pa 時，距離進氣道進口截面較近位置處，發動機狀態越大，鳥體頭部和尾部的高壓區域范圍越大，環繞鳥體肩部的低壓區域范圍則越小。鳥體運動速度先減小后增大，且當發動機處于最大狀態時，鳥體在運動后段的速度增加更大。

（3）體型、質量較小的鳥體在運動過程中受發動機引氣的影響更大，簡化麻雀模型受到氣流影響會有明顯的抬頭趨勢，俯仰角接近30°。