進氣道旋流模擬及測量地面試車臺試驗研究

姜 健，屈霽云，趙海剛，楊 曉

(中國飛行試驗研究院發動機所，陜西 西安 710089)

1 引言

現代空戰的發展趨勢要求作戰飛機具備過失速機動、敏捷性、隱身性等性能，而這對進入進氣道的空氣的均勻性非常不利。尤其是對于采用S彎管的進氣道，其出口截面可能出現強烈旋流，進而造成發動機失速、喘振，嚴重時甚至導致發動機空中停車。20世紀70年代末，國外通過解決狂風戰斗機試飛中左、右發動機喘振及停車問題[1]，找到了一條較為合理的處理旋流問題的技術路徑：模擬進氣道出口典型旋流流場，在地面試車臺或飛行試驗平臺上進行發動機抗旋流能力試驗。

進氣道出口旋流存在整體渦旋流、局部渦旋流和對渦旋流三種基本形式，實際中，絕大多數為這三種形式的組合[2]。要研究旋流、評定旋流及其對發動機的影響，首先要模擬出典型的旋流流場，其次要找到合理的旋流測量方案和評定指標，最后在此基礎上進一步研究旋流及其對發動機性能和穩定性的影響。

本文在數值計算[3]及風洞試驗[4，5]的基礎上，利用驗證過的葉片式旋流發生器和五孔探針測量方案，在地面試車臺上模擬出典型的旋流流場，進一步在進氣道/發動機實物上驗證了旋流模擬方法、測量方法的有效性及旋流評定指標的可行性。

2 旋流發生器及五孔探針

利用葉片式旋流發生器產生旋流。本文采用NACA65系列葉型加工直葉片作為旋流發生元件，葉片高110 mm，弦長120 mm，安裝角0°，葉片轉折角30°，葉片如圖1所示。實際應用中，通過若干葉片組合來產生不同旋流。

圖1 旋流發生葉片Fig.1 Blade of the swirl generator

采用8支五孔探針對旋流流場進行測量。由于安裝原因，本文五孔探針的探頭和安裝座分別加工，最后進行組合、焊接(圖2)。

圖2 五孔探針Fig.2 Five-hole Probe

在抽吸式標定風洞中對加工的探針進行標定，-25°≤α≤25°(α為攻角)，-25°≤β ≤25°(β為側滑角)，分別進行了馬赫數Ma=0.2、0.3、0.4、0.5的變馬赫數標定和擬合。某探針在Ma=0.5時標定出的特性網絡圖如圖3所示，圖中Cα、Cβ分別為偏轉氣流的俯仰偏轉標定系數和偏航偏轉標定系數。從圖中看特性線規則度好，說明探針加工質量好。8支探針的α、β多項式擬合方差小于0.7°，其余系數的擬合方差均小于3%，表明探針均能用于較高精度的流場測量。

3 地面試車臺及試驗方案

旋流模擬及測量驗證試驗在室內地面試車臺上進行。試車臺如圖4所示，由整流罩、進氣筒體、筒體支架、渦噴發動機、試車控制系統、數據采集系統等組成。

圖3 Ma=0.5時某五孔探針的特性圖Fig.3 Characteristics of a five-hole probe at Mach number 0.5

圖4 用于旋流模擬試驗的試車臺Fig.4 Ground test bed used for swirl simulation test

8支五孔探針作為受感部沿發動機進口0.87倍半徑處周向均布(圖5)，后端由管接嘴引至40支絕對壓力傳感器。另外在同截面壁面開三個小孔，用于測量發動機進口靜壓。試驗數據進入車臺數采系統，連續記錄。

圖5 發動機進口安裝的8支五孔探針Fig.5 Eight five-hole probes installed at the engine inlet

通過不同葉片布置方式來模擬不同的旋流，旋流發生器距發動機進口1.5倍直徑；在同一葉片布置方式下，通過調節發動機狀態來控制進口馬赫數，以模擬不同進口馬赫數下的旋流。發動機進口馬赫數由8支五孔探針中間孔平均得到的總壓和壁面靜壓計算得到。試驗時葉片布置方式和試驗工況如表1所示。

表1 葉片布置方式及試驗工況Table 1 Test conditions

4 試驗結果及分析

采用文獻[6]提出的評價指標對旋流進行評價。旋流評價指標為：整體渦強度ICB，整體渦指數SCB，對渦強度ICT和對渦指數SCT。純整體渦時，SCB＝1、SCT ＝0；純對渦時，SCB＝0、SCT ＝1。另外，本文定義，逆航向看，逆時針為正、順時針為負。

4.1 整體渦旋流模擬結果

如圖6所示，利用6個葉片在進氣筒體進口均布來模擬整體渦。試驗結果如圖7所示，Ma=0.35時，發動機進口0.87倍半徑處的旋流速度矢量圖如圖8所示。從圖中看出，模擬出的整體渦強度可達15°，且旋流強度基本不隨馬赫數變化；模擬結果中SCB較大，而SCT較小，也說明模擬出的旋流為典型的整體渦旋流，這與圖8所反映的情況及葉片布置方式的預期模擬效果相同；整個渦左半邊旋流強度大，說明發動機旋轉產生了一定的誘導速度，使渦核偏向于左半部。

圖6 整體渦模擬葉片布置方式Fig.6 Blade distribution for simulating bulk swirl

圖7 整體渦模擬結果Fig.7 Bulk swirl simulation results

圖8 整體渦旋流速度矢量圖Fig.8 Swirl vector of generated bulk swirl

4.2 局部渦旋流模擬結果

如圖9所示，利用4個葉片在進氣筒體進口右半邊均布來模擬局部渦。試驗結果如圖10所示，Ma=0.35時，發動機進口0.87倍半徑處的旋流速度矢量圖如圖11所示。從圖中看：模擬出的旋流流場右半邊強度較大，左半邊強度很小，流場為典型的局部渦旋流；模擬結果中，整體渦和對渦強度相當，而SCB和SCT均在0.5左右，也說明模擬出的旋流為典型的局部渦旋流。

圖9 局部渦模擬葉片布置方式Fig.9 Blade distribution for simulating local swirl

圖10 局部渦模擬結果Fig.10 Local swirl simulation results

圖11 局部渦旋流速度矢量圖Fig.11 Swirl vector of generated local swirl

4.3 對渦旋流模擬結果

如圖12所示，利用3個順時針轉折葉片在周向0°～120°均布和3個逆時針轉折葉片在周向180°～270°均布來模擬對渦。試驗結果如圖13所示，Ma=0.35時，發動機進口0.87倍半徑處的旋流速度矢量圖如圖14所示。從圖中看，右半邊旋流為順時針，左半邊旋流為逆時針，流場為典型的對渦結構；模擬結果中SCB較小、SCT較大，也反映出旋流為典型的對渦旋流；ICB基本都為很小的負值，說明左邊旋流強度略大，為發動機旋轉產生的誘導速度影響所致。

圖12 對渦模擬葉片布置方式Fig.12 Blade distribution for simulating twin swirl

圖13 對渦模擬結果Fig.13 Twin swirl simulation results

圖14 對渦旋流速度矢量圖Fig.14 Swirl vector of generated twin swirl

5 結論

(1)葉片式旋流發生器能有效地模擬出典型的整體渦、局部渦及對渦結構，整體渦強度可達15°。

(2)馬赫數對旋流模擬結果影響不大，發動機旋轉產生的誘導速度對旋流流場有一定影響。

(3)本文采用的旋流測量方法行之有效且精度較高；旋流評定指標合理可行，能較為直觀地反映旋流流場的強弱和結構。

[1]Aulehla F.Intake Swirl—a Major Disturbance Parameter in Engine/Intake Compatibility[C]//.Proceedings of the 13thCongress of ICAS/AIAA.ICAS-82-4.8.1，1982.

[2]Beale D K，Cramer K B，King P S.Development of Im?proved Methods for Simulating Aircraft Inlet Distortion in Turbine Engine Ground Test[R].AIAA 2002-3045，2002.

[3]姜 健，屈霽云，史建邦.進氣道旋流發生器的設計與數值模擬[J].燃氣渦輪試驗與研究，2008，21(1)：43—46.

[4]鄧小寶，姜 健，屈霽云，等.進氣道旋流模擬及測量的風洞試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2009，22(4)：51—56.

[5]葉 飛，張堃元，姜 健，等.進氣道旋流模擬及測量的實驗研究[J].推進技術，2009，30(3)：297—301.

[6]彭成一，馬家駒，尹軍飛.新機試飛中的進氣道旋流測量[J].推進技術，1994，8(4)：8—13.