某發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)噴管流場(chǎng)數(shù)值分析

王書賢，鮑教修，張立波，朱思琦，孫嘉濱

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

0 引言

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的主要功用是使燃?xì)馀蛎洠铀賴姵?，產(chǎn)生推力[1]。對(duì)于帶加力燃燒室的軍用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)其噴管壓強(qiáng)比變化范圍很大，使用可調(diào)噴管可以在寬廣的壓強(qiáng)比范圍內(nèi)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(shù)小于2的戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)多采用面積可調(diào)的收斂噴管，噴管是魚鱗片結(jié)構(gòu)，由調(diào)節(jié)環(huán)及液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制魚鱗片收放達(dá)到調(diào)節(jié)噴管出口面積的目的[4]。具體的噴管調(diào)節(jié)方案由發(fā)動(dòng)機(jī)的工作包線和飛機(jī)設(shè)計(jì)要求共同確定[5-6]。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)組合推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)噴管的性能進(jìn)行了研究[7-8]，拓展了可調(diào)噴管的應(yīng)用領(lǐng)域。

為了深入理解可調(diào)噴管的流場(chǎng)特點(diǎn)，探索可調(diào)噴管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，本文針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可調(diào)噴管進(jìn)行流場(chǎng)分析。首先按面積一致的原則將其內(nèi)型面近似為規(guī)則的圓形，進(jìn)行二維流場(chǎng)計(jì)算，分析其在慢車狀態(tài)、最大狀態(tài)以及全加力狀態(tài)的氣動(dòng)規(guī)律。其次考慮可調(diào)噴管由調(diào)節(jié)片和密封片組成，實(shí)際內(nèi)型面為多邊形，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析多邊形內(nèi)型面對(duì)流場(chǎng)的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

某發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)噴管進(jìn)口直徑為760mm，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于慢車狀態(tài)和全加力狀態(tài)時(shí)噴管長(zhǎng)度為280mm，出口直徑為630mm；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大狀態(tài)時(shí)噴管長(zhǎng)度為270mm，出口直徑為510mm。

首先將可調(diào)噴管的多邊形周向內(nèi)型面近似為圓形，穩(wěn)定狀態(tài)下流場(chǎng)軸對(duì)稱，劃分二維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，見圖1(a)；對(duì)壁面附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。實(shí)際可調(diào)噴管由24片密封片和調(diào)節(jié)片交替排列組成，其周向內(nèi)型面為多邊形，見圖1(b)；取流場(chǎng)區(qū)域的1/6進(jìn)行分析，劃分三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，見圖1(c)，同樣加密邊界網(wǎng)格。

(a) 二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 (b) 實(shí)際內(nèi)型面 (c) 三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

圖1幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

1.2 物理模型及求解方法

該發(fā)動(dòng)機(jī)工作于慢車、最大推力、全加力三種穩(wěn)定狀態(tài)下的噴管相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)物理參數(shù)

求得三種穩(wěn)定狀態(tài)下噴管進(jìn)口氣流的雷諾數(shù)分別為：Re慢=771267 、Re最大=989178 、Re全=700862，由此判斷噴管內(nèi)的流動(dòng)為充分發(fā)展的湍流。

進(jìn)一步求得環(huán)境壓強(qiáng)與進(jìn)口壓強(qiáng)之比分別為：β慢=0.5 、β最大=β全=0.09，判斷噴管在三種穩(wěn)態(tài)下均處于超臨界狀態(tài)，即噴管出口氣流速度達(dá)到聲速，出口壓強(qiáng)大于環(huán)境壓強(qiáng)。

計(jì)算采用的控制方程為通用形式的守恒方程，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型(RNG格式，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù))，差分方法為二階迎風(fēng)格式，采用壓力耦合隱式亞松弛迭代進(jìn)行求解。

2 計(jì)算結(jié)果分析

首先計(jì)算了慢車狀態(tài)、最大狀態(tài)以及全加力狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，獲得噴管流動(dòng)的基本規(guī)律；然后計(jì)算了最大狀態(tài)下，噴管實(shí)際多邊形內(nèi)型面對(duì)流場(chǎng)的影響。

2.1 三種典型狀態(tài)流場(chǎng)分析

通過計(jì)算獲得三種狀態(tài)下的流場(chǎng)分布，其中最大狀態(tài)的速度分布、壓強(qiáng)分布及溫度分布分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2最大狀態(tài)下的速度分布

圖3最大狀態(tài)下的壓強(qiáng)分布

圖4 最大狀態(tài)下的溫度分布

速度沿噴管軸線方向迅速增大，在出口處達(dá)到聲速；壓強(qiáng)迅速降低，在出口處為0.153MPa，大于環(huán)境壓強(qiáng)，處于超臨界狀態(tài)；溫度迅速下降，體現(xiàn)了熱能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。慢車狀態(tài)及全加力狀態(tài)的噴管氣動(dòng)規(guī)律與最大狀態(tài)一致，根據(jù)計(jì)算獲得的噴管出口參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算得到三種狀態(tài)下的推力，列于表2中。

表2 三種狀態(tài)的出口參數(shù)及推力

2.2 多邊形內(nèi)型面對(duì)流場(chǎng)的影響

由于可調(diào)噴管由密封片和調(diào)節(jié)片交替排列組成，實(shí)際周向內(nèi)型面為多邊形，取實(shí)際流場(chǎng)區(qū)域的1/6進(jìn)行了計(jì)算分析，獲得最大狀態(tài)速度分布、壓強(qiáng)分布及溫度分布分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖5多邊形內(nèi)型面噴管最大狀態(tài)下的速度分布

圖6多邊形內(nèi)型面噴管最大狀態(tài)下的壓強(qiáng)分布

圖7 多邊形內(nèi)型面噴管最大狀態(tài)下的溫度分布

沿軸向整體的分布規(guī)律與近似的圓形內(nèi)型面噴管流場(chǎng)一致，符合噴管流動(dòng)的一般規(guī)律。但在壁面轉(zhuǎn)角附近，實(shí)際多邊形內(nèi)型面噴管內(nèi)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(diào)節(jié)片相交的位置幾何形狀變化不連續(xù)，且該位置是距軸線半徑最大處，壁面對(duì)氣體的粘性影響較大。

將近似圓形的內(nèi)型面噴管出口平均參數(shù)(速度、靜壓、總壓、靜溫、總溫)與實(shí)際多邊形內(nèi)型面相應(yīng)噴管出口平均參數(shù)以及相對(duì)變化量(以圓形內(nèi)型面噴管出口平均參數(shù)為基準(zhǔn))列于表3。可見兩種內(nèi)型面的噴管在進(jìn)口參數(shù)一致的情況下，出口參數(shù)相差不大，其中由于計(jì)算假設(shè)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(nèi)型面噴管小4.9%，這主要由于在進(jìn)口面積相同的條件下，多邊形內(nèi)型面表面積較大，壁面造成的粘性較大，且多邊形內(nèi)型面曲率變化不連續(xù)，流線受到干擾造成了總壓損失。

表3 最大狀態(tài)下兩種噴管內(nèi)型面出口參數(shù)

3 結(jié)論

(1)可調(diào)噴管在慢車狀態(tài)、最大狀態(tài)以及全加力狀態(tài)時(shí)均處于超臨界狀態(tài)，能量利用率較低，在可用壓強(qiáng)比較大時(shí)宜采用收斂-擴(kuò)張噴管。

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

(3)在可調(diào)噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)在保證調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)節(jié)片、密封片搭接處圓滑過渡，以減少流動(dòng)損失。