某長外涵道形式的尾噴管特性數值計算分析

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(中國飛行試驗研究院 發動機所，陜西 西安 710089)

0 引言

航空發動機的飛行推力確定是飛機與發動機性能試飛的重要內容。目前所常用的飛行推力確定方法都需事先已知被試發動機的尾噴管特性[1]。獲取尾噴管特性的方法有：縮比模型吹風試驗，全尺寸部件試驗、CFD數值計算等。隨著計算機技術和數值計算方法的快速發展，采用CFD計算手段獲得發動機尾噴管在各種飛行條件下的特性已經成為非常重要的方法。美國GE公司的CF34-10A渦扇發動機和CFM公司的LEAP-X1C渦扇發動機以及某型國產發動機等在尾噴管特性研究時均采用了CFD數值計算的方法[2-6]。

我國某型機用小型分開排氣的渦扇發動機的尾噴管為長外涵道形式(即內外涵道出口共面)，為了計算該發動機的標準凈推力，需已知其尾噴管的特性。文獻[7]中給出了渦扇發動機的不同形式的尾噴管的特性曲線，但沒有介紹長外涵道形式的尾噴管特性。國內的文獻[5-6]計算的均為分開排氣的短外涵道形式的尾噴管特性，而由于從長外涵道形式的噴管的結構特點，需計算分析其內外涵出口氣流的互相干涉作用，以確定內外涵道特性的影響參數及變化規律，為標準凈推力計算提供數據支持。因此，本文以該型發動機的尾噴管為研究對象，計算了該尾噴管在不同飛行馬赫數、不同工況下的三維粘性流場，分析了內外涵道的流量特性與推力特性與飛行馬赫數、內外涵進口總壓比、噴管落壓比之間的關系。

1 計算方法

1.1 CFD計算方法

圖1 噴管結構示意圖

研究的噴管的結構示意圖如圖1，可以看出外涵道的出口位置與內涵出口幾乎共面，明顯不同于分開排氣的民用大涵道比渦扇發動機。本文利用ICEM軟件對計算模型進行結構化網格剖分，計算域為周向1/6區域。計算采用ANSYS CFX軟件，計算時，噴管出口為壓力遠場，改變遠場來流速度以模擬不同飛行馬赫數，改變內外涵道進口總壓，以模擬不同的工況和不同的內外涵進口總壓比。湍流模型為k-epsilon模型，對于噴管壁面的流動模擬選擇CFX提供的可擴展壁面函數方法(Scalable Wall Functions)。

1.2 尾噴管特性獲取方法

以內涵道為例，其流量系數Cd1和推力系數Cfg1的定義如下：

(1)

式中，實際流量Wact1由CFD計算結果直接得到，實際總推力Fgact1：

Fgact1=Wact1Vaxial+(P81-P0)A81

(2)

其中：A81內涵出口面積，P81為內涵出口靜壓，其值由計算結果得到。

由于該尾噴管的內、外涵道均為收斂式的，因此式(1)中理想流量Wideal1與理想總推力Fgideal1的定義如下：

(3)

(5)

(6)

式中，Pt1、Tt1為內涵道進口總壓總溫，P0為外界大氣壓力，γ=1.4，R=287.06(kJ/kg·k)。

根據相似原理分析，固定收斂尾噴管的流量特性和推力特性表征為外流馬赫數、尾噴管落壓比的函數[8]，而對于雙涵道噴管，其影響因素還應包括內涵與外涵進口壓力之比，即：

流量系數：

(7)

推力系數：

(8)

因此，獲得噴管內涵道的特性參數的計算過程如下：

1)根據內涵道A81、Pt1、Tt1、P0，計算其理想的流量和理想的總推力；

2)根據CFD計算結果，計算實際流量和實際總推力；

外涵道的計算方法與內涵道相同。

2 結果分析

本文計算了不同Ma，不同落壓比、不同內外涵進口壓力比工況下的內外涵特性參數。下面對結果加以說明。

2.1 內外涵壓力比對內、外涵噴管特性的影響

當內外涵工況不同時，各自出口流場壓力值不同，在噴管出口附近，內外涵氣流會互相干涉，進而影響內、外涵的特性。圖2為Ma=0、0.5，rpt=0.8、1.0、1.2時，外涵的流量系數和推力系數隨其落壓比的變化關系。

由圖2(a)、(c)可以看出，地面靜止條件下，外涵的流量系數與推力系數均隨其落壓比的增大而增大，達到阻塞狀態后，流量系數不再變化，推力系數略有增加。同時，不同的內外涵壓力比下，外涵道的流量系數與推力系數不變，及內涵工況變化不影響外涵的特性參數。由圖2(b)、(d)，當有外流馬赫數時，亞臨界時的外涵道流量系數與推力系數隨著落壓比的減小而增大；當外涵道處于臨界與超臨界狀態時，其流量系數與推力系數也不因內涵工況的變化而不同，當外涵道處于亞臨界狀態時，其流量系數與推力系數隨內涵工況變化的變化量非常小，可以認為，外涵道的特性參數不隨內涵工況的變化而變化。

圖2 不同的飛行馬赫數與內涵工況，外涵特性參數與外涵壓力比的關系圖

由圖3(a)、(c)可以看出，地面靜止條件下，內涵道流量系數與推力系數隨內涵壓力比的變化趨勢與外涵道相同，但外涵工況對內涵的特性參數有影響。即當內涵噴管處于亞臨界狀態時，rpt越大，則內涵的流量系數與推力系數越大。當內涵處于臨界與超臨界狀態時，內涵的特性參數不隨rpt的變化而變化。由圖3(b)、(d)，Ma=0.3時，內涵處于亞臨界狀態時，rpt越大，內涵的流量系數與推力系數越大，當內涵處于臨界與超臨界狀態時，內涵的流量系數與推力系數不隨rpt的變化而變化。

圖3 不同的飛行馬赫數與外涵工況，內涵特性參數與內涵壓力比的關系

2.2 不同飛行馬赫數對內、外涵噴管特性的影響

飛行馬赫數不同，對噴管的特性會產生一定影響。這是因為來流速度會與外涵出口氣流速度互相干涉， 同時，由于機體的存在，在機體到外涵出口附近會形成低壓區，進而影響了外涵的落壓比。有關馬赫數對內外涵道特性參數的影響見圖4和圖5。圖4分別是內涵處于亞臨界和超臨界狀態、不同馬赫數時外涵的流量系數與推力系數隨外涵落壓比的變化關系。可以看出，無論內涵阻塞與否，超臨界工況下的外涵道的特性參數不隨馬赫數變化而變化，而亞臨界工況下的外涵道的流量系數與推力系數則會隨馬赫數的增大而增大。

圖5是外涵處于亞臨界和超臨界狀態、不同馬赫數時內涵的流量系數與推力系數隨內涵落壓比的變化關系。可以看出，亞臨界工況下的內涵道的流量系數與推力系數則會隨馬赫數的增大而增大，超臨界工況下的內涵道的流量系數與推力系數不隨馬赫數的變化而變化，其與外涵的變化趨勢是一致的。

圖4 飛行馬赫數對外涵特性參數的影響

圖5 飛行馬赫數對內涵特性參數的影響

3 結論

1)本文介紹了獲取尾噴管特性的CFD數值模擬方法，計算了某渦扇發動機的尾噴管特性。分析了長外涵道形式的尾噴管的內外涵的耦合影響規律。

2)研究結果表明，該形式的尾噴管的特性與外流馬赫數、噴管落壓比、內外涵壓力比有關。地面靜止條件下，內外涵的流量系數與推力系數均隨各自落壓比的增大而增大，達到阻塞狀態后，流量系數不再變化，推力系數略有增加。

3)在靜止與飛行條件下，內涵工況對外涵的流量系數與推力系數沒有影響，外涵工況對亞臨界狀態的內涵的流量系數與推力系數有影響。

4)飛行馬赫數越大，亞臨界狀態的內涵道與外涵道的流量系數與推力系數越大。臨界與超臨界狀態的內涵道與外涵道的流量系數和推力系數不受馬赫數影響。

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