等截面環形引射器流場研究

涂寧　熊荊江　何鵬　江睿

摘? 要： 本文利用CFD軟件對等截面超聲速環形引射器進行數值模擬，求解了引射器的流場。結果表明在保持環形引射器結構參數、幾何參數以及 其他邊界條件不變時，入口總壓與引射器盲腔壓強的比值基本上保持不變，想要得到較低的盲腔壓強，可以在保持引射器正常啟動的條件下，盡可能地 降低入口總壓。

關鍵詞： 高空模擬試車臺;引射器;數值模擬;航空發動機

中圖分類號：V233.1+2? 文獻標識碼：A

引言

航空發動機高空模擬試車臺（簡稱高空臺） 是在地面上模擬飛機整個 飛行包線范圍內的各種飛行狀態，對發動機及其部件進行試驗的大型試驗 設備。高空臺在國防工業中，尤其在航空發動機發展中所起的作用是巨大的[1]。而在航空發動機的高空模擬實驗中，需要模擬發動機尾噴口的排氣 環境壓力。為了模擬發動機尾噴口在高空工作時的負壓（真空度）條件， 我們一般采用抽氣機抽氣或引射器引氣這兩種設計方案。引射器引氣，引 射器具有結構簡單可靠，無轉動部件、體積小、反應快速、機動靈運轉費 用低廉、操作維修方便以及對被抽介質無嚴格要求等特點。隨著計算機 技術的發展和對計算方法的深入研究，計算流體力學（ CFD ）技術已經廣 泛應用于引射器內流場的研究， CFD技術克服了理論分析和實驗研究兩者 的缺點成為研究引射器復雜內流場一種重要的研究手段和途徑，它不僅能 給出設備內大致的流場結構，而且能提供一些實驗不能或者很難測定的信 息。采用CFD技術分析研究引射器的流場結構，深入分析引射器性能的影 響因素和規律，給引射器工程設計提供必要的指導[2]。

1 物理模型和數值方法

引射器雖然結構簡單，但是其內部流場十分復雜，因為湍流造成了 兩種流體間的剪切、卷吸作用以及混合過程中邊界層與避面、壓力面間復 雜的相互作用。再加上粘黏性干擾、分離渦、真實氣體效應等物理現象， 使得這一過程更加復雜，更加造成一般氣體動力學理論解釋的困難。因此 做以下假設：（ 1 ）不考慮水蒸氣的冷凝。（ 2 ）超聲速環形引射器中的氣 體流動為等熵流動;（ 3 ）不計壁面摩擦，也不考慮熱量損失;（ 3 ）在 混合段和擴壓段，引射流與被引射流的物理參數是均勻的;本文選取的是 RNGk-ε模型，此模型與k-ε模型十分相似，但相比于k-ε模型進行了許多改 進，因此在更廣泛的流動中較k-ε模型可信度與精度更高，所以在進行超聲 速環形引射器流場計算時，選擇使用RNGk-ε模型。

1.2? 數值方法

在本文中，將利用時間相關法求解二維構型的超聲速環形引射器流 場，數值求解時，采用二階迎風格式對連續方程、動量方程、和能量方程 進行耦合求解，這種求解方法對于超聲速環形引射器內部的流場結構捕 捉起著至關重要的作用，然后再求解湍流運輸方程，時間上采用顯示的 Runge-Kutta方法進行迭代推進，直至流場收斂。

1.3? 邊界條件

超聲速環形引射器噴管入口處采用壓力邊界條件，總壓為1.2MPa，入 口總溫為600K不變，被引射流入口采用質量流量邊界條件，流量為1.2kg/s， 亞音速擴壓器出口處采用壓力邊界，出口壓力為標準大氣壓

2 流場分析

從圖2? （噴管入口總壓為0.6MPa是馬赫數分布圖）和圖3? （噴管入口總 壓為0.6MPa是壓力分布圖） 可以看出來引射器管道內存在著復雜的波系結 構，隱射氣流在噴管喉道附近馬赫數達到1 ，即聲速，過噴管喉道后繼續 向前膨脹，馬赫數繼續增加達到超聲速，在噴管出口附近將達到最大值， 從噴管出來的氣流在混合式前端進一步膨脹，因為混合室的截面積大于噴 管出口截面面積，壓強也隨之降低，然后氣流在中心軸線上發生碰撞，形 成第一道反射斜激波，接著該激波射向在引射器內壁面上，再次形成一道 反射激波，由于激波附面層的干擾，引起了壁面附面層分離，這些波系在 引射器內部來回反射形成多道波系，也正是因為這些波系使氣流達到了減速增壓的效果。

圖4 、5 、6為保持其他邊界條件不變時入口總壓為0.3 、0.6 、0.8MPa 的壓力等值線圖，從圖中可以清晰地看出，隨著總壓的降低，正激波慢慢 由亞音速擴壓器出口附近向引射器前端靠近， 當總壓降低至0.4MPa時， 亞 聲速區已經處在引射器的中間位置，如果繼續降低入口總壓，則會導致引 射器啟動失敗，如圖7所示管道內是亞音速流場，由此可知該引射器的啟 動壓強應該在0.4MPa附近。從表1中可以看出，在保持環形引射器結構參 數、幾何參數以及其他邊界條件不變時，入口總壓與引射器盲腔壓強的比 值基本上保持不變，想要得到較低的盲腔壓強，可以在保持引射器正常啟 動的條件下，盡可能地降低入口總壓。

3 結論及待研究的問題

（ 1 ）在保持環形引射器結構參數、幾何參數以及其他邊界條件不變 時，入口總壓與引射器盲腔壓強的比值基本上保持不變。（ 2 ）想要得到 較低的盲腔壓強，可以在保持引射器正常啟動的條件下，盡可能地降低入 口總壓。（ 3 ）本文只是對環形引射器流場進行了一個初步的研究，還有 很多因素未考慮進來，如壁面摩擦、換熱、空氣的冷凝、不同的結構形式 等等。

參考文獻：

[1]張玉金，我國航空發動機高空模擬試車臺的發展[J].航空科學技術，1999 （03）.

[2]張飛，王志浩，張秀玲，高空模擬試車臺等截面式環形蒸汽引射器零二次流 流場數值模擬[A].桂林航天工業高等專科學校學報，2008，50（02）.

1428501705361