無人直升機混合管局部混合間隙對排氣引射性能的影響研究

郭弈 李松松

無人直升機動力艙通風冷卻系統通常采用排氣引射器作為動力源，將周圍環境冷空氣抽吸到動力艙內以帶走發動機、附件等散發的熱量。在無人直升機排氣系統設計中，混合間隙是影響排氣引射性能的重要因素，排氣引射器引射流體主要依靠自由混合層發展所引起流動的卷吸作用，而混合間隙是直接控制自由混合層發展的尺度，因此混合間隙對排氣系統設計至關重要。某些型號無人直升機的排氣系統，受到發動機排氣管形狀及安裝位置限制等因素，主噴管和排氣管間隙并不一定為均勻間隙。本文針對無人直升機混合管局部混合間隙變化而引起的超溫問題，通過計算分析，研究在不同的局部混合間隙下，流體自由混合層在混合管出口壁面的附著情況，得到局部混合間隙對無人直升機排氣引射性能的影響規律，設計出排氣系統最佳局部混合間隙，保證動力艙通風冷卻的效果。

計算模型和方法

本文針對無人直升機的混合管局部混合間隙，對混合管、發動機、動力艙及全機身進行一體化建模，如圖1所示。模型坐標系與無人直升機坐標系一致，航向為負X方向。計算時不考慮外界氣流的影響，外流場計算域以無人直升機動力艙為中心進行建模，外流場計算域尺寸為15m×10m×17m。

動力艙內部發動機建模時需進行簡化，主要考慮發動機本體及其附件，忽略管路、電纜等對動力艙通風冷卻的影響，并認為動力艙壁面不存在縫隙。排氣管及混合管結構如圖2所示，排氣管構型不變，改變混合管底部的結構，進而改變混合管局部混合間隙。

在計算過程中，考慮到動力艙的復雜型面結構，采用非結構網格，并在發動機排氣管出口、進氣格柵入口局部加密。無人直升機處于懸停狀態，排氣管進口采用質量流量進口邊界條件，流量為2.021kg/s，溫度為970K；外流場區域設為壓力出口邊界條件，溫度為環境溫度323K，壓力為101325Pa。計算中采用Standard k-ε湍流模型；動量控制方程采用一階迎風格式、能量控制方程采用二階迎風格式，壓力和速度耦合采用SIMPLEC算法。在三位直角坐標系中，其通用形式如下：

計算方案

為研究局部混合間隙對無人直升機排氣引射性能的影響規律，本文通過改變混合管的局部混合間隙，如圖3所示。開展了一系列數值計算，表1給出了不同局部混合間隙的計算方案。

計算結果與分析

各方案動力艙內流線分布圖如圖4所示。從進氣格柵進入動力艙的氣流分為3股：第一股氣流從格柵中部進入動力艙后，順著格柵傾斜的方向到動力艙平臺，而后沿著發動機表面環繞向前流動，最后通過混合管流出動力艙；第二股氣流從格柵左邊緣進入動力艙后，達到動力平臺后，向后流動，隨后流到進氣道頂部后，與第一股氣流匯聚，環繞發動機表面向前流動；第三股氣流從進氣格柵右邊緣流入動力艙，到達動力平臺后，向前流動，之后從后墻折返由混合管流出動力艙。

各方案動力艙內溫度分布圖如圖5所示。混合管局部混合間隙變化，會影響動力艙內發動機各附件表面最高溫度，如表2所示。表2中方案1和方案3的N2轉速傳感器處于超溫狀態，方案2的通風冷卻效果最優。

引射比與混合管局部混合間隙之間的變化關系如圖6所示。從圖中可知，在確定的發動機排氣管構型下，引射比隨混合管局部混合間隙的增大而先增大后減小，結合表2中各方案的通風冷卻效果，方案2的引射比最佳。

結論

本文針對無人直升機的混合管局部混合間隙進行了混合管、發動機、動力艙及全機身的一體化建模及仿真計算，研究了無人直升機混合管局部混合間隙對排氣引射性能的影響，通過分析，可得到以下結論：

（1）在確定的發動機排氣管構型下，引射比隨混合管局部混合間隙的增大而先增大后減小。

（2）本文計算分析得到的規律，可為無人直升機混合管局部混合間隙的設計提供參考。