某發動機可調噴管流場數值分析

王書賢，鮑教修，張立波，朱思琦，孫嘉濱

(西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)

0 引言

噴氣發動機尾噴管的主要功用是使燃氣膨脹，加速噴出，產生推力[1]。對于帶加力燃燒室的軍用燃氣渦輪發動機其噴管壓強比變化范圍很大，使用可調噴管可以在寬廣的壓強比范圍內獲得最大推力[2]，并有利于降低燃油消耗量[3]。通常飛行馬赫數小于2的戰機發動機多采用面積可調的收斂噴管，噴管是魚鱗片結構，由調節環及液壓調節系統控制魚鱗片收放達到調節噴管出口面積的目的[4]。具體的噴管調節方案由發動機的工作包線和飛機設計要求共同確定[5-6]。近年來，國內對組合推進發動機可調噴管的性能進行了研究[7-8]，拓展了可調噴管的應用領域。

為了深入理解可調噴管的流場特點，探索可調噴管的優化設計方案，本文針對某航空發動機的可調噴管進行流場分析。首先按面積一致的原則將其內型面近似為規則的圓形，進行二維流場計算，分析其在慢車狀態、最大狀態以及全加力狀態的氣動規律。其次考慮可調噴管由調節片和密封片組成，實際內型面為多邊形，對流場進行了三維數值模擬，分析多邊形內型面對流場的影響。

1 計算模型

1.1 幾何結構及網格劃分

某發動機可調噴管進口直徑為760mm，當發動機處于慢車狀態和全加力狀態時噴管長度為280mm，出口直徑為630mm；當發動機處于最大狀態時噴管長度為270mm，出口直徑為510mm。

首先將可調噴管的多邊形周向內型面近似為圓形，穩定狀態下流場軸對稱，劃分二維結構化網格，見圖1(a)；對壁面附近網格進行加密處理。實際可調噴管由24片密封片和調節片交替排列組成，其周向內型面為多邊形，見圖1(b)；取流場區域的1/6進行分析，劃分三維結構化網格，見圖1(c)，同樣加密邊界網格。

(a) 二維結構網格 (b) 實際內型面 (c) 三維結構網格

圖1幾何結構及網格

1.2 物理模型及求解方法

該發動機工作于慢車、最大推力、全加力三種穩定狀態下的噴管相關物理參數如表1所示。

表1 相關物理參數

求得三種穩定狀態下噴管進口氣流的雷諾數分別為：Re慢=771267 、Re最大=989178 、Re全=700862，由此判斷噴管內的流動為充分發展的湍流。

進一步求得環境壓強與進口壓強之比分別為：β慢=0.5 、β最大=β全=0.09，判斷噴管在三種穩態下均處于超臨界狀態，即噴管出口氣流速度達到聲速，出口壓強大于環境壓強。

計算采用的控制方程為通用形式的守恒方程，湍流模型為標準k-ε模型(RNG格式，標準壁面函數)，差分方法為二階迎風格式，采用壓力耦合隱式亞松弛迭代進行求解。

2 計算結果分析

首先計算了慢車狀態、最大狀態以及全加力狀態的穩態流場，獲得噴管流動的基本規律；然后計算了最大狀態下，噴管實際多邊形內型面對流場的影響。

2.1 三種典型狀態流場分析

通過計算獲得三種狀態下的流場分布，其中最大狀態的速度分布、壓強分布及溫度分布分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2最大狀態下的速度分布

圖3最大狀態下的壓強分布

圖4 最大狀態下的溫度分布

速度沿噴管軸線方向迅速增大，在出口處達到聲速；壓強迅速降低，在出口處為0.153MPa，大于環境壓強，處于超臨界狀態；溫度迅速下降，體現了熱能向動能的轉化。慢車狀態及全加力狀態的噴管氣動規律與最大狀態一致，根據計算獲得的噴管出口參數，進一步計算得到三種狀態下的推力，列于表2中。

表2 三種狀態的出口參數及推力

2.2 多邊形內型面對流場的影響

由于可調噴管由密封片和調節片交替排列組成，實際周向內型面為多邊形，取實際流場區域的1/6進行了計算分析，獲得最大狀態速度分布、壓強分布及溫度分布分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5多邊形內型面噴管最大狀態下的速度分布

圖6多邊形內型面噴管最大狀態下的壓強分布

圖7 多邊形內型面噴管最大狀態下的溫度分布

沿軸向整體的分布規律與近似的圓形內型面噴管流場一致，符合噴管流動的一般規律。但在壁面轉角附近，實際多邊形內型面噴管內氣體溫度下降較慢，速度上升也較慢，這主要是由于密封片和調節片相交的位置幾何形狀變化不連續，且該位置是距軸線半徑最大處，壁面對氣體的粘性影響較大。

將近似圓形的內型面噴管出口平均參數(速度、靜壓、總壓、靜溫、總溫)與實際多邊形內型面相應噴管出口平均參數以及相對變化量(以圓形內型面噴管出口平均參數為基準)列于表3。可見兩種內型面的噴管在進口參數一致的情況下，出口參數相差不大，其中由于計算假設絕熱，總溫接近相等；速度、靜壓、靜溫變化在1%左右；總壓則比多形內型面噴管小4.9%，這主要由于在進口面積相同的條件下，多邊形內型面表面積較大，壁面造成的粘性較大，且多邊形內型面曲率變化不連續，流線受到干擾造成了總壓損失。

表3 最大狀態下兩種噴管內型面出口參數

3 結論

(1)可調噴管在慢車狀態、最大狀態以及全加力狀態時均處于超臨界狀態，能量利用率較低，在可用壓強比較大時宜采用收斂-擴張噴管。

(2)可調噴管實際多邊形周向內型面在徑向方向靠近壁面轉角的位置溫度下降較慢，速度上升也較慢。多邊形周向內型面的流動損失較大，總壓相差4.9%。

(3)在可調噴管的結構設計中應在保證調節功能的基礎上，盡量使調節片、密封片搭接處圓滑過渡，以減少流動損失。