側風條件導引墻對發動機尾流場的影響

張久峰 馮傳奇 孫科

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

航空發動機進行外場露天試車時，其尾噴流會對周邊的人員、建筑和其他航空器的安全造成影響。導引墻用于引導高溫高速氣流，其原理與艦載機偏流板相同，偏流板造成的回流會被吸入發動機入口，而試車時不允許導引墻回流吸入發動機造成發動機狀態變化；偏流板空間占用小，距離發動機尾噴口近，氣流溫度高，回流嚴重[1-8]，而導引墻體積大，距離遠，氣流的流速和溫度相對更低。目前國內的研究只針對導引墻位置變化對發動機尾流場的影響進行了分析[9]，對環境側風的影響和導引墻本身的結構并無討論。

1 研究方法

1.1 計算模型

如圖1 所示為幾何模型示意圖，模型采用簡化的發動機模型，圓柱半徑與真實噴口半徑一致，導引墻寬60m，高7.5米，采用常見的圓弧形墻面設計。D 為導引墻距離尾噴管出口的距離，H 為發動機中心線距離地面的高度。

圖1 幾何模型示意圖

1.2 網格劃分

本文采用ICEM對流體域進行網格劃分，全流場均為結構化網格。計算仿真選用ANSYS CFX 軟件求解N-S 方程進行仿真分析，湍流模型選用SST k-ω 模型，它綜合了k-ξ模型和k-ω 模型在邊界層內外計算的優點[10]，如圖2。

圖2 網格劃分示意圖

1.3 試驗驗證

在該型發動機地面試驗中利用耐高溫測量耙實測了距離發動機尾噴口15m，25m 位置處的總溫，并與計算結果對比，結果如圖3 所示，計算結果與試驗結果趨勢接近，計算得到的總溫略高于試驗，這是由于試驗中發動機狀態參數未達到仿真設計值，使得計算結果偏大。試驗結果證明該方法可以模擬發動機尾流場。

圖3 試驗結果驗證

2 結果分析

2.1 導引墻位置對發動機尾流場的影響

如圖4 所示,隨著工況的變化，反壓有整體變化的趨勢，這說明導引墻距離和發動機高度對尾噴口反壓有一定影響，但相比于無導引墻時不超過20pa，本文認為加入導引墻導致的尾噴口反壓變化不影響發動機性能。

圖4 尾噴口反壓監測

如圖5，導引墻上的高溫氣體區域呈現環狀分布，導引墻兩側存在回流現象,回流氣體速度大于10m/s。α=0°, 尾流與導引墻的沖擊點更高,回流現象顯著加劇,回流速度,流量和溫度均增大，高溫區呈環狀分布，但溫度梯度降低，高溫區分布范圍更廣。這是由于導引墻上的高溫氣流由尾噴流主流和摻混引射流兩部分組成，而尾噴管水平導致發動機尾噴流與空氣的接觸面積增大，摻混引射作用增強，導致引射流流量增大，溫度更高，大量高溫氣流沿導引墻從兩側流出導致回流現象增強。

圖5 流場速度、溫度示意圖:D=30m，H=6.0m

針對發生回流的流場進行分析，進一步增加導引墻距離發動機尾噴口距離，如圖6，高溫氣流沖擊在導引墻底部和地面上，高溫核心區位于導引墻底部和地面上，相比于D=30m 時溫度明顯降低，無高溫高速氣體回流；當α=0°時，高溫氣流直接沖擊在導引墻面上，高溫核心區位于導引墻頂部，導引墻兩側仍有回流現象發生，但相比于D=30m，回流氣流流量降低，溫度降低，速度降低，這說明增加導引墻與發動機尾噴管間的距離可以有效減弱回流的發生，避免回流流入發動機進口。

圖6 流場速度、溫度示意圖:D=40m，H=6.0m

增加尾噴口到導引墻距離D=50m，如圖7 所示，H=6.0m，當α=0°時導引墻兩側仍有回流現象，但回流氣流速度溫度進一步降低，回流減弱，證明增加導引墻距離可以有效減弱發動機兩側回流氣流的流量，速度及溫度。

圖7 流場速度、溫度示意圖:D=50m，H=6.0m

為進一步研究導引墻回流問題，考慮H=6.0m 時，各個狀態下的尾流場流線圖，如圖8 所示，隨著導引墻兩側回流氣體速度增大，形成的渦更加遠離發動機中心線。在渦的作用下，導引墻兩側氣流有可能回流至發動機入口，并且高溫高速氣體回流過程中又不斷與空氣摻混，減速降溫，回流至發動機入口處的氣流并不一定會造成發動機進口壓力溫度畸變。

圖8 流場流線圖

如圖9 所示為330K 等溫度面（高于環境溫度20K），隨著距離的增加，等溫面距離發動機入口更遠，并無回流到達發動機入口。

圖9 330K 等溫度面

2.2 側風對發動機尾流場的影響

如圖10 所示，回流在側風作用下“彎折”向發動機進口，對發動機進氣造成影響，隨著側風風速逐漸增大，回流無法抵抗側風影響被“吹散”，對發動機進氣影響減弱。

圖10 側風，D=30m，330K 等溫度面

如圖11 所示，距離D=40m，在側風風速U=2.5m/s 情況下回流吸入現象明顯減弱，但回流仍到達發動機入口附近，進一步增加距離D=50m，發動機進氣不受影響。

圖11 側風，U=2.5m/s，330K 等溫度面

實際上，導引墻兩側的氣體回流是由于發動機引射流沖擊在導引墻改變方向后產生的，這部分氣流與空氣不斷摻混并減速降溫，一般不會被吸入發動機入口，當存在側風條件時，回流在側風作用下改變方向，在一定風速條件下被吸入發動機進口，造成進口畸變現象，影響發動機狀態。回流造成的畸變主要為總溫畸變。

2.3 導引墻構型對發動機尾流場的影響

如圖12 所示，導引墻由弧形設計更改為直型設計，隨著側風風速增大，渦的尺寸逐漸減小,引射流流線距離發動機進口更遠，側風速度增加到7.5m/s，流場中渦基本消失。

圖12 D=30m 優化流場流線圖

如圖13 所示，導引墻經過優化后，回流氣體無法到達發動機入口，并且隨著側風風速增大，流場內高溫氣流范圍減小。導引墻改型主要改變了氣流流出導引墻的方向，使得形成的渦距離發動機入口更遠，降低了發動機入口再吸入的風險。

圖13 D=30m 優化流場330K 等溫面

3 結論

本文通過對帶導引墻的發動機尾流場數值模擬得到了不同工況下的發動機尾流場特征和導引墻對尾流的影響規律，并通過試驗結果對方法進行了驗證，主要得到以下結論：

3.1 帶導引墻流場反壓變化不影響發動機性能。

3.2 導引墻距離發動機距離近，發動機離地高度高，尾噴口水平，導引墻兩側出現顯著的氣體回流現象，造成發動機進氣再吸入。

3.3 低速側風條件下發動機存在高溫回流再吸入的風險。

3.4 優化導引墻結構，增大導引墻距離可以有效避免發動機回流吸入，導引墻距離發動機40m，采用直型導引墻可以有效避免該型發動機回流吸入。