空間受限對航空發動機室內試車臺的氣動影響

摘 要：室內試車是航空發動機研制的關鍵試驗手段之一。試車臺空間受限等諸多實際因素使得被試發動機周圍氣動環境偏離理想條件，導致直接測量推力中包含有附加氣動力等誤差。針對墻壁及排氣管形成的空間約束建立室內試車臺簡化幾何模型，運用數值模擬方法分析空間約束對發動機近周流場的影響，并結合理論分析方法研究關聯流動特征變化形成的附加氣動力。

關鍵詞：航空發動機；室內試車臺；空間受限；附加氣動力；數值模擬

中圖分類號：V23" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-5276（2024）05-0195-04

Aerodynamic Effects of Space Constraint on Engine Enclosed Test Cell

Abstract：Enclosed test is one of the key test means for aero-engine development， but many practical factors such as space limitation of indoor test stand may deviate the distribution of flow field around the tested engine from the ideal condition， which leads to the errors caused by additional aerodynamic force and so on in the direct measurement result of thrust. A simplified geometric model for the enclosed test cell is established regarding the spatial constraints formed by the wall and exhaust pipe， the influence of spatial constraints on the engine near-circumference flow field is analyzed by numerical simulation method， and by combination of theoretical analysis， the mechanism of additional aerodynamic drag caused by the change of associated flow characteristics is studied.

Keywords：aero-engine；enclosed test cell；space constraint；aerodynamic additional resistance；numerical simulation

0 引言

航空發動機推力是評判發動機動力性能的關鍵指標之一，發動機在研制、生產或返廠檢修中都需要經過臺架試驗來檢驗其推力等性能指標［1］。國內外都以海平面標準大氣環境、無風條件下航空發動機在露天基準試車臺上測試的性能作為發動機的真實性能。露天試車臺建設維護的難度大，成本高，而且實際開展試驗的氣動環境受天氣、風向、溫度變化等因素影響，難以隨時達到理想的露天試驗條件，不能滿足研制過程對發動機測試的需求。相比之下，室內試車臺建設成本小，易于操作。因此，大量發動機整機測試是通過室內試車臺進行的［2-3］。

由于實際的室內試車臺結構復雜，尺寸有限，試車間的受限空間內發動機排氣產生的引射作用使得發動機周圍流動偏離理想情況，進而產生環境氣流對發動機的附加氣動作用力；同時因測量系統自身存在不可避免的精度問題，使測量推力不等于真實推力［4］。氣動力引起的誤差是影響室內試車臺推力測量精度的重要因素之一［5-6］。羅爾斯·羅伊斯公司在其申請的關于推力修正的專利［7］中引入了室內試車臺氣動附加阻力的測量推力修正方法；英國Cranfield大學開展了室內試車臺的數值模擬和實物模擬，獲得了室內相關部件對推力測量的影響趨勢［8］。

室內試車臺的被試發動機周圍空間受限是與理想露天試驗環境的顯著差異，是環境氣流對發動機產生氣動力的基礎因素。為了進行針對性研究，本文針對室內試車臺墻壁及排氣管形成的空間約束條件建立了簡化幾何模型，運用數值模擬方法分析了空間約束對發動機近周流場的影響，并結合理論分析方法研究關聯流動特征變化形成氣動附加阻力的機制及各項氣動力的主要特征。

1 數值模擬方案

1.1 幾何模型與計算方法

相比于露天試驗臺，航空發動機室內試車臺包含進排氣塔、消音設備、導流板、雙軌吊車、升降臺、多層測試平臺、排氣管等。為了聚焦研究受限空間的影響，本文以航空發動機典型室內試車臺為參照，建立了盡量排除其他影響因素的簡化幾何模型，主體由光順修型的試車間壁面和排氣引射筒兩部分組成，略去了進、排氣塔部分和試車間內其他構件。此外，為了在計算資源可承受的范圍內獲得更準確的流場數值模擬結果［9］，匹配詳細試驗研究的模型尺度，將數值模擬對象的尺寸縮小至實際試車間的1/10，得到如圖1（a）所示計算模型。為了開展與理想試驗條件的對比分析，對單獨發動機構建無約束空間計算模型，數值模擬對象為發動機孤立懸于理想大氣環境中。為了更好地與室內試車臺計算結果作比較，取外部流場域尺寸為5.5m×1.2m×1.2m，整體尺度與前述試車臺計算模型保持一致，發動機位置相對保持不變，如圖1（b）所示。

由于需要關注的是發動機的外部流場，本文采用簡化方法，對計算模型中發動機內部流動、外形結構進行簡化處理，以提高數值模擬速度和精度。該處理方法約束進氣道出口流量和噴管入口流量以確定發動機工作狀態，在保證發動機進出口流動參數符合基本守恒原理的前提下，不考慮發動機內部的具體氣動熱力過程。同時，忽略發動機內部燃燒使得空氣轉化為燃氣的變化過程，將工質均以理想氣體對待。

對前述兩種計算域內的三維流場分析運用基于雷諾平均的N-S方程的數值計算方法。方程的離散均選擇二階迎風格式，湍流模型選擇k-ε模型。

室內試車臺進出口采用了壓力進、出口邊界條件，發動機為流量進、出口邊界條件，無空間約束時計算域為遠場（opening）邊界，其余為無滑移絕熱固壁。

1.2 網格

為節約計算資源和便于開展工作，本文將試車臺模型采用混合網格劃分，如圖2所示。發動機近周區域（尺寸為1.2m×0.4m×0.4m）使用非結構化網格；其余計算域為結構化網格。

為減小網格對計算結果的影響，比較了疏密程度不同的3套網格計算結果，根據試車間流場結構和主要流動特征的差異，選用了網格數約950萬作為計算網格。

對于無空間約束計算模型，整個計算域均采用了非結構化網格。在發動機周圍對流動影響較大的區域，進行了網格加密。為了減少計算量，發動機遠前方及噴管出口下游較遠區域的網格設置為較大的尺寸，網格平滑過渡，總網格量約700萬。

2 發動機周圍流場結構

無約束空間計算域對稱面速度云圖和流線圖如圖3所示。可以看出發動機孤立在理想大氣中工作時，自由來流從四周被吸入發動機，除進氣道入口周圍存在速度梯度外，外圍速度大小的變化不明顯，且距離入口大于3D（D為進氣道直徑）時其量值已小于1m/s并逐漸趨于0。發動機主體段周圍氣流速度變化很小，保持著不大于1m/s的低速流動。接近噴管出口時，發動機周圍氣流受到發動機排氣射流引射等因素的影響，速度從射流邊界到環境大氣呈現出快速減小的局部梯度，射流核心區外流速很快降低且逐漸趨于0。

室內試車臺空間約束下發動機近周流場對稱面速度云圖和流線圖如圖4所示，該截面上Ma分布如圖5所示。相較于單獨推進流道處于理想大氣中工作時，在室內試車臺存在墻壁約束的受限空間中，發動機遠前方來流速度接近10m/s，明顯高于自由來流條件；在進氣道及機身周圍，氣流速度超過了5m/s；至噴管上游，在室內試車臺排氣筒入口流道面積突然收縮的影響下，出現了更加明顯的主流引射次流現象，噴管周圍氣流速度快速增加，這一梯度相較于無約束時，發展得更早、徑向空間更大，并在引射筒入口形成了一個高速區。在發動機對氣流的吸入作用下，氣流加速進入進氣道；亞聲速氣流在拉瓦爾噴管內加速，氣流在尾噴管出口截面附近超過聲速。進入引射筒后，氣流體現出明顯的分層流動現象，高速氣流在摻混后流速降低。

3 空間約束引發的氣動附加阻力

3.1 氣動附加阻力的產生機理

從物理意義上來看，航空發動機的安裝推力是在安裝條件下所有流過發動機以及在外部繞流在發動機工作表面上的壓力與摩擦力在軸向分力的合力［10］，一維條件下其計算方法可表示為

航空發動機在理想靜止環境總推力FG為排氣動量與發動機出口剩余壓力之和，即

FG=W9V9+（p9-p0）A9（2）

在室內試車時，基于推力流線控制體法以及如圖6所示的室內試車臺控制體，結合安裝推力和總推力的表達式，發動機在室內試車臺的測量推力Ftestme可由下式計算。

基于上一節的流場分析，以上各氣動力在無空間約束時，其值趨近于0，可忽略不計。

3.2 空間約束對氣動附加阻力的影響

氣動附加阻力中進氣沖量阻力積分形式表達式為

式中：ρ0是來流密度；V0表示發動機上遠前方截面氣流速度；A0為推進流道遠前方進氣流管的截面面積。進氣流管近似為回轉體，向上游逐漸呈圓柱狀。取發動機進氣道入口上游遠前方5D處為0截面，截取進氣流管應為圓形截面（稱為0-0截面），根據其與推進流道之間的流量守恒，可得該圓截面直徑為0.172m（約3.6D），如圖7所示。在該截面上運用式（4）積分獲得進氣沖量阻力為12.2N。該力與推力方向相反，可見室內試車臺的約束空間形成了進氣沖量阻力。

在0-0截面取進入發動機的一條邊緣流線，以該流線為基準生成流管，利用進氣流管表面氣流壓力p與試車間環境壓力p0的差值在其表面的積分獲得進氣附加阻力為1.77N，因流管收縮，故其方向與推力相反。

如圖8所示，壓差阻力包括發動機進氣道、機身和噴管幾部分外壁阻力，可分別利用氣流壓力p與試車間環境壓力p0的差值在各段外壁面上的積分獲得。壓差阻力中，進氣道外壁最大（1.35N），主要集中在喇叭口卷邊區域，但該力與推力方向相同；機身阻力約為0.19N，與推力方向相反；本文中噴管阻力數值較小（約0.04N），主要由于拉瓦爾噴管喉道前后兩段外壁受力方向相反導致相互削弱。

根據式（2）獲得發動機總推力為1 180N，圖9所示為所研究約束空間下發動機各部分附加氣動力與總推力的相對百分比。由圖可知：受限空間下進氣沖量對所研究試車臺氣動附加阻力中占比最大，這與公開文獻［11］中關于室內發動機試車臺推力校準的試驗結果相符；其次是進氣附加阻力；壓差阻力中，進氣道阻力占比最大，噴管阻力的比重較低。更嚴格的計算準確性檢驗將在對所研究發動機試車臺氣動附加阻力的校準試驗結束后進行。

4 結語

本文運用數值模擬與理論分析相結合的方法研究了關于發動機試車間受限空間對氣動附加阻力的影響，得出以下主要結論。

1）室內試車臺形成的受限空間使得發動機上游來流速度增加，機身周圍存在明顯的速度梯度，尾噴口高速排氣引射的影響區域更大。

2）相較于無空間約束，發動機周圍流動特征的改變導致了室內試車臺測量推力中包含有進氣沖量阻力、進氣附加阻力、壓差阻力等。

3）在簡化幾何模型條件下，空間約束影響形成的氣動附加阻力中，進氣沖量阻力在所研究試車臺氣動附加阻力中占比最大，超過了發動機總推力的1%；其次是進氣附加阻力；底部阻力的比重較低。

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