發動機短艙內型面參數設計對進氣效率的影響研究

肖 毅，馬經忠，胡志東，陳雅麗

(中航工業洪都，江西南昌330024)

0 引言

發動機短艙是包容發動機的重要結構部件，包含動力裝置的進氣系統即進氣道，與動力裝置的排氣系統即噴管系統和反推力裝置，以及連接進氣系統和發動機排氣系統的短艙艙門，是亞音速運輸機的重要部件之一[1]。近年來國內外的研究人員主要針對短艙的吊裝形式和安裝位置進行了優化設計，利用自主開發的優化程序并結合CFD(Computational Fluid Dynamics)手段，總結形成了多種短艙優化設計的方法，著重分析了短艙阻力大小和表面激波的分布規律[2,3]。由于短艙進氣效率普遍較高，有關短艙進氣道設計的文獻并不多見，但是針對收縮比、擴散段長度等進氣道設計中的重要幾何參數的研究仍然有必要進行。在某型飛機發動機短艙研制的過程中，為了研究收縮比和擴散段長度對進氣效率的影響，本文在商用CFD軟件Fluent中對不同的進氣道模型進行了數值模擬，分析了進氣道出口截面總壓恢復和流場畸變的變化規律。

進氣道總壓恢復系數定義如下：

其中，p0,ex為進氣道出口氣流平均總壓，p0,∞為自由來流總壓，在進氣道設計中，總壓恢復系數越高越好。

進氣道流場總壓畸變 (IDC,Inlet Distorted Coefficient)定義如下：

其中，p0,min為進氣道出口氣流最小總壓，在進氣道設計中，流場畸變越小越好。

1 發動機短艙參數設計概述

圖1所示為短艙設計需要確定的主要幾何參數。根據某型飛機的設計條件和某型發動機的性能數據，可以計算得到進氣道的喉道面積ATH[4]；選擇適當的收縮比CR（CR=AHL/ATH），確定進氣道的進口面積AHL；參考國內外短艙設計的相關經驗，初步確定擴散段長度LD；根據發動機的三維數模并考慮阻力的影響，初步確定短艙外罩的最大截面面積AM、前段長度LM、后段長度LB及噴口直徑DB。本文在短艙外形初步確定的情況下，給定喉道和風扇面積AF，著重研究進氣道內型面參數CR和LD的改變對進氣效率的影響規律。

根據文獻[4]的介紹，本文短艙收縮段采用四分之一橢圓構形；通常進氣道的擴散段會采用三次樣條曲線修形，但是由于本文短艙喉道面積與進氣道出口即發動機風扇面積比較接近，三次樣條曲線形狀的擴散段對改善進氣道流場作用并不明顯，故擴散段暫定用直線構形。

圖1 短艙的幾何特征參數

2 計算模型及網格

本文發動機短艙的三維數模如圖2所示，為了真實地對短艙流場進行模擬分析，本文加入了進氣錐進行三維建模，發動機短艙安裝角度為2°。

圖2 某型飛機發動機短艙三維數模

由于某型發動機的附件安裝相對集中，導致短艙下側會比較突出，在某型飛機研制的后續工作中，某型發動機附件的安裝有優化的余地，繼而可以對短艙外形做進一步的優化設計，但這并不會對本文研究短艙進氣道內的流動造成影響。不同短艙的幾何參數如表1所示，其中對擴散段長度進行了無量綱化處理。

表1 不同短艙的幾何參數

本文的計算模型首先在Gambit中劃分非結構化的三角形網格，然后在Tgrid中劃分四面體網格，對短艙壁面進行局部加密處理，總網格數在600萬左右。短艙進氣道的表面網格如圖3所示。

圖3 短艙進氣道的表面網格

3 計算方法概述

本文的數值模擬在商用CFD軟件Fluent中進行。將流場邊界設置為壓力遠場條件，將進氣道出口設置為壓力出口條件。采用有限體積法求解Navier-Stokes方程；使用二階迎風格式對時間和空間項進行離散；采用可實現的k-ε(realizable k-ε)湍流模型對流動進行計算，該模型將湍動粘度與應變率聯系起來，使得流動更加符合湍流的物理定律，適合于對射流、邊界層流動、有分離流動等進行計算[5]。本文在發動機最大狀態下對短艙內外流場進行計算，計算條件為11km高度，0.8馬赫數，1°攻角的高空巡航狀態及0km高度，0馬赫數的地面狀態。流場的控制方程如下式所示：

4 計算結果分析

圖4所示為Case.3短艙XOY中心截面的馬赫數分布云圖。 在11km高度，以馬赫數0.8巡航時，流動在接近短艙時逐漸減速，駐點在唇口附近形成，在短艙上側的外唇區域出現了超音速流動，并伴隨形成了激波，在某型飛機發動機短艙的后續研制過程中，外唇有必要做進一步的優化設計；除下側有一部分速度較高的區域外，進氣道內流場比較均勻。在地面狀態下，流動在接近短艙時逐漸加速，空氣被不斷吸入發動機內，氣流最大速度分布在唇口內側，靠近壁面的流動速度相對較低，在接近進氣道出口附近，流動變得越來越均勻。

圖4 Case.3短艙XOY中心截面馬赫數云圖

圖5所示為Case.3短艙進氣道出口截面的總壓恢復系數分布。總體而言，短艙的進氣效率是比較高的，從圖中可以看出，靠近壁面的地方總壓損失較大；在地面狀態時，從進氣道壁面到進氣錐方向，總壓恢復系數的變化梯度更大，相對于高速巡航狀態，進氣道出口的總壓恢復會出現一定的下降，且流場畸變也會更加嚴重。

圖6所示為收縮比對短艙進氣效率的影響。從圖中可以看出，地面狀態下短艙的總壓恢復系數較高空巡航時更低，進氣畸變也更加嚴重。總體而言，增加收縮比，從而增大短艙的進口面積，可以提高進氣道出口的總壓恢復，降低流場畸變，獲得更高的進氣效率；當然，隨著進口面積的增加，短艙的外罩阻力也會增加，一般情況下短艙的收縮比均在1.3以內，但對于本文設計所采用的發動機而言，其附件分布較為集中，設計小的喉道面積，選擇小的收縮比，在建立短艙外形數模時，會產生曲率較大的部位，適當選擇較高的收縮比，可以使短艙外形更加光順。

圖7所示為擴散段長度對短艙進氣效率的影響。在擴散角變化很小的情況下，隨著擴散段長度的增加，無論是高速巡航狀態還是地面狀態，進氣道出口的總壓恢復系數隨之會有細微的下降，擴散段長度的增加，增加了流動的摩擦損失；總體而言，擴散段長度的增加有利于降低進氣道內的流場畸變，可以使得流動分布更加均勻，但擴散段長度的增加無疑會增加短艙的重量，給飛機帶來不必要的負擔，需要做權衡選擇。不同工況的計算結果見表2。

圖5 Case.3進氣道出口截面總壓恢復系數云圖

圖6 收縮比對短艙進氣效率的影響

圖7 擴散段長度對短艙進氣效率的影響

表2 不同工況的計算結果

5 結語

本文在計算流體動力學軟件Fluent時，對不同短艙進氣道內的流動進行了數值模擬，研究了收縮比與擴散段長度對進氣效率的影響。在一定范圍內，增加收縮比有利于提高短艙的進氣效率，但進口面積的增大會增加短艙的外罩阻力；總體而言，增加擴散段長度，會降低進氣道出口的總壓恢復系數，但流場畸變也同樣會降低。從獲得高進氣效率的角度出發，應當在一定范圍內選擇高的收縮比和適當的擴散段長度。

[1]《飛機設計手冊》總編委.飛機設計手冊第5冊民用飛機總體設計[M].北京：航空工業出版社，2005.

[2]Ryota Yoneta et al.Aerodynamic Optimization of an Over-the-Wing-Nacelle-Mount Configuration[J]. AIAA 2010-1016:1-20.

[3]黎軍，王霄.一種低壓音速發動機短艙進氣道的優化設計[C].第一屆近代實驗空氣動力學會議，銀川，2007:441-443.

[4]《飛機設計手冊》總編委.飛機設計手冊第6冊氣動設計[M].北京：航空工業出版社，2002.

[5]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.