某大型運輸機發動機尾噴口射流參數研究

黃愛華,段紅春

(1.成都航空職業技術學院 航空維修工程系,四川 成都 610000;2.四川成發航空科技股份有限公司,四川 成都市 610503)

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某大型運輸機發動機尾噴口射流參數研究

黃愛華1,段紅春2

(1.成都航空職業技術學院 航空維修工程系,四川 成都 610000;2.四川成發航空科技股份有限公司,四川 成都市 610503)

通過分析某大型運輸機發動機尾噴口射流的基本情況,結合某大型運輸機發動機的實際情況計算出某大型運輸機發動機尾噴口射流的速度、溫度分布規律以及射流擴散角,為某飛機氣動外形設計、發動機安裝推力的評定及評估射流對機身的影響提供了依據.

射流極點; 速度; 溫度; 分布; 擴散角

某大型運輸機發動機將作為XX型飛機的動力裝置[1],根據飛機設計的要求,需對某大型運輸機發動機尾噴口射流參數進行計算,以便確定某大型運輸機發動機尾噴口射流對飛機的影響.

1 尾噴口射流的基本情況

某大型運輸機發動機的尾噴口屬亞音速噴口,意味著固體邊界不會對噴口后氣體產生影響,在空間內形成了自由擴散的射流,并且此射流的流動狀態是紊流,因此可判斷尾噴口射流中存在大量無規則運動的小團質量.小團質量通過橫斷方向進行運動以達到邊界外,在此過程中會將沖量轉移到靜止流體層當中.其中部分射流在運動時周圍流體會滲入,這會影響到射流的速度,在此背景下便會呈現出射流寬度逐漸增大、射流質量逐漸增加,同時邊界上的速度會持續降低的情況.

紊流射流的邊界層主要由射流速度降低部分與周圍流體帶走的部分構成,并且隨著流動的加深,其邊界層會逐漸增寬.假定某大型運輸機發動機噴口射流在噴管出口處速度是一致的,則可得出射流邊層的寬度在初始階段為0，并且此時的邊層代表的是射流柱的放射表面,它和噴管的出口是相連接的(見圖1).

通過對圖1進行分析,能夠看出射流邊層外界與靜止流體相接觸的過程中,與氣流軸線的平行的分速度為0(vx2=0).

圖1 某發動機尾噴口射流的擴散

邊層里邊是定值速度的核心氣流，是未經擾動的流動,其速度等于出口速度(vx1=v0).

隨著噴管出口的遠離及隨邊層的擴大,定值速度的核心流的寬度越來越窄.這個過程繼續下去,當寬度到達一定值時未經擾動的核心氣流便消失.

緊接著所有的邊層氣流會占據截面,并且對射流的軸心進行侵蝕,射流愈來愈寬,軸心上的速度也隨之下降(見圖2).

圖2 某發動機尾噴口射流

所謂轉折截面,是指定速核心完全消滅后的射流截面.初始段射流是指轉折截面與出口間的射流; 射流極點是指射流外邊界的交點; 主體段則是指轉折截面的射流.

2 尾噴口射流擴散角的計算

研究表明[3],射流邊界是一條徑線,其無因次坐標ψTP為

(1)

式中:ψTP為射流邊界的無因次縱坐標,ψTP的值可通過射流理論來進行計算;RTP為任意一截面(主體段)上邊層射流寬度的一半;x為截面與極點之間的距離;a是系數.由于發動機尾噴口是軸向對稱的,因此可得出射流的ψTP為3.4,在經過試驗后可求得a的值.在此過程中,射流在噴管出口處速度都等于v0,根據經驗取a=0.066.

3 在射流邊界內沿程截面的速度分布

3.1 截面上任一點的速度與其軸心速度的關系

研究表明,任何一截面上,橫段方向的分速度和縱向的速度比起來總是很小的.取x軸與氣流的對稱軸相合,由于分速vy的速度較小,因此在計算的過程中可忽略不計.此時,射流的速度便是x向分速度(v=vx),以后談到的速度均指射流的x向分速度.

通過研究與分析,邊層中的射流在橫截面上的速度是相同的.無因次速度與無因次距離之間的關系可以表示為

(2)

式中：v指射流中所測量的那一點的速度；vm是測量點所在截面中心的速度.公式用于射流的初始段時,RTP是指該測量點所在截面上邊層的全部寬度,vm等于噴管出口速度v0,而y是由測量點到邊層與定值速度的核心流接界處的距離.公式用于射流的主體段時,RTP指該截面邊層寬度的一半,y是測量點到其軸心的距離(見圖3).

圖3 某發動機尾噴口射流參數計算用圖

在主體段上,RTP與該截面至噴管出口距離s的關系為

RTP=3.4ax=3.4(as+0.29R0)=0.2244s+0.986R0

式中:R0為某大型運輸機發動機尾噴口半徑,R0=0.514 m[1],所以RTP=0.2244 s+0.507

將以上結果帶入式(2),得

主體段上測量點的速度v

(3)

在初始段上,RTP按幾何關系可以表示為

(4)

初始段上測量點的速度v

(5)

3.2 任一截面上中心速度與噴管出口速度的關系

主體段上任一截面上中心速度vm可按下式求出

(6)

將a=0.066,R0=0.514帶入式(6)得

(7)

以地面起飛狀態(v0=450 m·s-1)[2]為例,在主體段距噴口為s的截面上,中心線上的速度vm

(8)

該截面上到中心距離為y處的速度

(9)

初始段上測量點的速度

(10)

4 在射流邊界內沿程截面的溫度分布

速度場的相似性給予溫度場以相似性,更重要的是此相似性與射流質量的交換具有直接關系.除此之外,導致射流邊層中的溫度不斷變化的原因是由于射流與周圍環境介質作了交換.研究溫度時,我們取大于外界值的那部分差額.通常,取以下溫度差額:

①ΔT,ΔT為射流中指定點的溫度與外界環境溫度之差，ΔT=T-TH;②ΔTm,ΔTm為射流軸線上的溫度與外界環境溫度之差，ΔTm=Tm-TH;③ΔTo,ΔTo為射流初始截面(噴管出口)的溫度與外界環境溫度之差，ΔT0=T0-TH.

試驗證明,自由射流中溫度差額的分布性質與速度的分布性質是相似的.在有定值速度的核心流的初始階段,溫度也是定值,等于出口溫度.在主體段中,溫度邊層也隨著與噴口的遠離而擴散,而氣流軸線上的溫度差額則隨之下降.

按射流理論可以得到射流橫截面上的溫度分布規律:

(11)

在射流主體段上,RTP=0.224 4s+0.507,將之代入式(11)可得截面上各點的溫度與其中心線上溫度的關系:

(12)

溫度沿射流主體段軸線的分布規律可以表示為

(13)

將a=0.066,R0=0.514代入式(13),得主體段上射流軸線溫度與初始溫度的關系:

(14)

在初始段,截面上各點的溫度

(15)

以地面起飛狀態(T0=520 K)為例,在主體段距噴口為s的截面上,中心線上的溫度由

(16)

得

(17)

該截面上到中心距離為y處的溫度由

(18)

得

(19)

在初始段,截面上測量點的溫度由

(20)

得

(21)

5 試飛驗證

某大型運輸機已經過近幾年的試飛,通過多架飛機的長期試飛驗證,本文提供的發動機尾噴口射流的速度分布、溫度分布及射流擴散角等參數對飛機機身和安裝推力的影響與預先評估的結論一致,證實本研究結論具有較高的可信度.

6 結論

(1) 在射流邊界內沿程截面的速度分布,可用截面上任一點的速度與其軸心速度的關系及任一截面上中心速度與噴管出口速度的關系來描述.

(2) 在射流邊界內沿程截面的溫度分布與速度場的分布具有相似性.

(3) 某大型運輸機發動機尾噴口屬亞音速噴,以上結論是否適用于超音速噴口需要進一步研究加以驗證.

[1] 成都發動機(集團)有限公司.某發動機總體性能計算報告[R].成都:成都發動機(集團)有限公司,2006.

Chengdu Engine(Group) Co.,Ltd..Overall performance calculation of an engine[R].Chengdu:Chengdu Engine(Group) Co.,Ltd.,2006.

[2] 成都發動機(集團)有限公司.某發動機技術維護使用手冊[R].成都:成都發動機(集團)有限公司,1993.

Chengdu Engine(Group) Co.,Ltd.Technical maintenance manual for an Engine[R].Chengdu:Chengdu Engine(Group) Co.,Ltd.,1993.

[3] 阿勃拉莫維奇.實用空氣動力學[M].北京:高等教育出版社,1955.

ABOLAMOWEIQI.Practical aerodynamics[M].Beijing:Higher Education Press,1955.

Parametric study on engine nozzle jet for specific large aerotransport

HUANG Ai-hua,DUAN Hong-chun

(1.CHENGDU AERONAUTIC POLYTECHNIC ,Department of Aviation Maintenance Engineering ,CHENGDU 610100;2.Sichuan Chengfa aero Polytron Technologies Inc,Chengdu 610503,china)

Based on the basic jet situation of a specific large aerotransport, the jet velocity distribution, temperature distribution and jet diffusion angle are calculated.Accordingly, this approach sets a reference to the pneumatic configuration design, engine installation thrust assessment and jet impact evaluation on fuselage..

jet pole; velocity; temperature; distribution; diffusion angle

黃愛華(1968-),女,副教授.E-mail:eaaaoo@163.com

V 231.3

A

1672-5581(2016)03-0277-04