渦槳飛機發(fā)動機進氣道排除異物特性數(shù)值研究

王利敏，張彥軍，米百剛，楊梅花

(1.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院 總體氣動所，西安 710089) (2.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084) (3.北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176)

0 引 言

航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對新型飛行器的性能要求越來越高。能夠適應(yīng)各種各樣的飛行環(huán)境，在惡劣的飛行條件下仍可保持較好的性能是其中的一個重要方面。民用飛機和軍用飛機對該指標的標準和考核要求存在差異，對于民用航空領(lǐng)域的渦槳支線飛機，該指標的一個體現(xiàn)方面是飛機具有在外來異物的影響下保持要求的飛行性能。因此，必須在飛機設(shè)計的初始階段考慮外來物的影響。

目前，渦槳支線客機應(yīng)用較多，比如我國的新舟系列飛機、ATR公司的渦槳客機系列以及龐巴迪公司的Q系列飛機等，這些渦槳客機以高性價比得到廣泛關(guān)注，并獲得大量應(yīng)用。隨著我國通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對渦槳支線客機的需求必將急劇增加。

新一代國產(chǎn)渦槳飛機使用的發(fā)動機進氣道形式與常規(guī)渦槳發(fā)動機存在較大不同[1-3]。為了防止外來異物被吸入進氣道進入發(fā)動機，導(dǎo)致發(fā)動機性能下降或者停車，從而威脅飛行安全，在進氣道內(nèi)增設(shè)外來物排除裝置，稱為旁通道。該通道的設(shè)計目的是期望超過發(fā)動機吞咽極限的異物能夠在氣流的作用下進入該通道排出，從而減小對發(fā)動機性能的影響，保證安全性，也能夠滿足飛機在惡劣環(huán)境下飛行時的動力需求。

帶有旁通道的進氣道構(gòu)型出現(xiàn)在20世紀80年代初，是一種較為新型的進氣道形式，目前國外也只有Q-8等少數(shù)飛機使用。我國在20世紀90年代初引進普惠的發(fā)動機為運7換發(fā)時曾經(jīng)做過一些試驗研究[4]，但是由于技術(shù)封鎖，很難掌握詳細的設(shè)計分析方法[5]。

盡管如此，與該研究相關(guān)的一些外來物的研究開展相對較多。國外，M.Papadakis等[6]建立了四自由度軌跡分析代碼，研究了三維均勻流場中方形冰塊的運動軌跡，并對其落點進行了概率分析；G.S.Baruzzi等[7]開展了六自由度冰塊的運動軌跡研究，并利用大量實驗獲取軌跡仿真中所需要的氣動力數(shù)據(jù)；H.Kim等[8]基于DYNA3D開發(fā)了冰雹的第一個數(shù)值計算模型。國內(nèi)，李玉龍等[9]、王計真等[10]通過建立鳥炮裝置，使用明膠代替飛鳥，詳細研究了鳥撞飛機部件的結(jié)構(gòu)破壞情況，為飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了翔實的參考；刁斌等[11]、朱書華等[12]、楊立文等[13]、李旦等[14]、王文智等[15]、陳佳慧等[16]、施萌等[17]分別通過數(shù)值模擬手段，對鳥撞現(xiàn)象中的發(fā)動機葉片損失進行詳細評估并與試驗進行了對比分析?？梢钥闯觯瑖鴥?nèi)外的研究多集中在結(jié)構(gòu)方面，只關(guān)注異物與飛機部件發(fā)生碰撞的瞬時過程，而對異物在撞向飛機的過程中對飛機氣動性能的影響鮮少涉及，因此很難分析得到外來異物的運動軌跡，從而無法進一步分析進氣道的效能和旁通道的設(shè)計合理性。

本文針對國產(chǎn)新型渦槳飛機進氣道-旁通道設(shè)計分析技術(shù)開展研究，將CFD和六自由度方法耦合，率先開展外來異物進入進氣道的運動軌跡計算分析，并耦合沖擊動力學(xué)方法，對運動中可能發(fā)生的碰撞現(xiàn)象進行探索分析，初步建立渦槳飛機進氣道排除外來異物的數(shù)值模擬方法。

1 計算模型

本文選取某型國產(chǎn)新型渦槳支線飛機主發(fā)動機短艙進氣道作為研究對象。根據(jù)設(shè)計需求，位于進氣道末端的旁通道必須排除超過發(fā)動機吞咽極限的各種外來異物，防止其進入壓氣機進氣道內(nèi)部，影響發(fā)動機性能，威脅飛行安全。該發(fā)動機短艙模型如圖1所示。

圖1 計算短艙模型Fig.1 Computational nacelle model

2 基于適航規(guī)范的外來異物屬性分析

渦槳飛機實際飛行中可能遇到的外來異物種類較多，比如在簡易跑道上起降時，砂石有可能被吸入發(fā)動機；在高空飛行時，有可能遇到飛鳥；氣溫變化較大時，有可能遇到冰雹和結(jié)冰現(xiàn)象。這些外來異物均可能對飛行產(chǎn)生影響，其中，以冰雹和結(jié)冰現(xiàn)象的威脅最大，因此本文重點對冰雹和結(jié)冰現(xiàn)象的影響進行研究，這也是渦槳發(fā)動機供應(yīng)商重點考慮的因素。

渦槳支線客機需要面向民用航空領(lǐng)域，因此需要根據(jù)適航規(guī)范，結(jié)合各類國標首先確定外來物特性。

2.1 冰 雹

根據(jù)適航規(guī)范[18]，冰雹數(shù)量與發(fā)動機的進氣道面積有關(guān)，對于進氣道面積大于0.064 m2(100 in2)的發(fā)動機，每0.096 8 m2(150 in2)的進氣道面積或其余數(shù)，為1顆25 mm(1 in)直徑和1顆50 mm(2 in)直徑的冰雹。根據(jù)該規(guī)范，本文的計算模型需要布置2顆20 mm和2顆50 mm直徑的冰雹，等距分布，并且為了考慮冰雹的位置影響，分別計算唇口上、中、下位置的冰雹排除特性，如圖2所示。

圖2 冰雹分布Fig.2 Hails located in the engine inlet

實際飛行中冰雹相對飛機具有水平和垂直的下落速度，垂直下落速度可以根據(jù)適航規(guī)范由式(1)確定。

(1)

式中：ρa為空氣密度；CD為阻力系數(shù)。

水平方向的速度是隨著距離飛機進氣道的距離不同而發(fā)生變化的。當(dāng)距離較遠時，進氣道內(nèi)流場對冰雹的水平干擾較小，相對速度可認為是飛機的飛行馬赫數(shù)；當(dāng)距離較近時，水平方向的速度受到唇口處的內(nèi)流影響。為了全面研究該影響，水平方向的速度取飛行速度和內(nèi)流速度兩個極值。

2.2 冰 塊

與冰雹不同，冰塊主要是發(fā)動機唇口或者內(nèi)部區(qū)域在環(huán)境劇烈變化時產(chǎn)生的異物，因此其初始運動狀態(tài)與飛機一致。冰塊相對于飛機初始速度為0，當(dāng)脫落后，在氣流的沖刷下局部翹起、折斷、脫落后運動。發(fā)動機進氣系統(tǒng)的結(jié)冰，指的是進氣道前緣、錐形整流罩、支柱以及第一級壓氣機前導(dǎo)流葉片等處的結(jié)冰[19-20]。本文重點考慮從唇口以及進氣道內(nèi)部結(jié)冰區(qū)脫落的冰塊，因為這部分冰塊對進氣道的影響最大。

根據(jù)適航規(guī)范，發(fā)動機的吞冰試驗僅考慮一個冰塊，形狀主要為混合冰，結(jié)合某型國產(chǎn)渦槳支線飛機發(fā)動機的排異能力實際和吞冰試驗的尺寸規(guī)范，冰塊的尺寸選定為最大排異尺寸。冰塊的脫落位置選為唇口上下左右以及進氣道下壁面結(jié)冰區(qū)域；同時，冰塊在脫落后會受力翹起一定角度，目前并沒有對冰塊初始姿態(tài)的準確研究，本文設(shè)定冰塊初始翹起角度為30°，主要是模擬大翹起角度下受氣流沖擊力較大情形時的冰塊運動現(xiàn)象。因此，選定的冰塊計算模型如圖3～圖4所示。

圖3 唇口周圍的冰塊Fig.3 Ice cubes around the engine inlet

圖4 進氣道下壁面結(jié)冰區(qū)冰塊Fig.4 Ice cube near the lower wall in engine inlet

3 外來異物在進氣道中運動過程的數(shù)值仿真方法

3.1 基本步驟

無論是冰雹還是冰塊，在進入進氣道之后，都會在進氣道內(nèi)流的作用下進行運動，可以借助計算流體力學(xué)(CFD)計算聯(lián)合六自由度(6DOF)方法求解得到異物的運動軌跡。需要注意的是，由于計算狀態(tài)的不同，異物在受力運動之后，有可能會發(fā)生與壁面的碰撞或者異物之間的碰撞，此時，需要進一步耦合沖擊動力學(xué)方法開展異物的碰撞分析?？傮w來看，對于冰雹或者冰塊的排除，數(shù)值模擬時可以分為以下步驟：

一是使用CFD聯(lián)合6DOF求解非定常運動，實時計算異物與壁面、異物之間的最小距離；

二是當(dāng)異物與異物之間或者異物與壁面之間距離不斷減小，并且小于設(shè)定的閾值(d=0.1 mm)時，認為碰撞發(fā)生，此時調(diào)用沖擊動力學(xué)程序處理碰撞。

計算結(jié)果的判定方法為：①若沒有碰撞直接進入旁通道，認為異物排除，而直接進入主發(fā)動機，則可能嚴重威脅飛行安全；②發(fā)生碰撞則判定碰撞后的尺寸形狀，如果遠小于排異能力，認為即使進入主發(fā)動機也不會有嚴重影響，計算結(jié)束；如果碰撞后尺寸較大，則繼續(xù)計算。

總體的方法如圖5所示。

圖5 計算流程圖Fig.5 Simulation flow chart

3.2 仿真中的計算方法

根據(jù)外來物的排除數(shù)值計算過程，使用的方法包括CFD方法、六自由度方程以及沖擊碰撞模擬。

(1) CFD方法

本文的分析方法需要大量的動態(tài)非定常計算，因此CFD計算基于三維非定常歐拉方程，不考慮粘性的影響，其控制方程為

(2)

(2) 6DOF仿真

使用六自由度方程來計算隨氣流運動的冰塊的位移以及繞著重心的角速度。Fluent軟件中內(nèi)置了相應(yīng)的六自由度模塊，慣性坐標系下的繞著重心的控制方程為

(3)

物體的角運動可以使用物體坐標計算得到

(4)

式中：L為慣性張量；MB為物體力矩向量；ωB為剛體角速度向量。

力矩通過式(5)從慣性到體坐標轉(zhuǎn)換得到

MB=RMG

(5)

式中：R為轉(zhuǎn)換矩陣，其形式為

(6)

式中：Cχ=cos(χ)；Sχ=sin(χ)；φ、θ、ψ分別為歐拉角。

(3) 碰撞仿真

碰撞的仿真分析基于FE有限元模型，該方法是求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題的典型方法，可以重現(xiàn)高速撞擊下的物體行為。網(wǎng)格建立在物體上，當(dāng)物體發(fā)生大的變形時，網(wǎng)格也發(fā)生變化。

3.3 仿真計算中的邊界條件設(shè)置

流體仿真分析時，使用的邊界條件包括遠場、壁面以及壓力出口。壓力出口邊界設(shè)置在發(fā)動機進氣道出口位置，通過調(diào)節(jié)出口壓力的變化，可以迭代修正得到滿足發(fā)動機質(zhì)量流量要求的計算工況。碰撞分析時，需要定義物體的材料屬性、接觸碰撞面、載荷以及約束條件等。需要注意的是，根據(jù)結(jié)冰的條件等，冰的屬性非常多，并且每一種屬性的冰，其碰撞結(jié)果都不相同，要全部模擬該形式計算量巨大，本文僅使用常見的一種屬性參數(shù)來構(gòu)建冰雹以及冰塊排出的數(shù)值模擬方法[21-22]。

4 渦槳飛機進氣道排異特性仿真結(jié)果及分析

4.1 冰雹排除特性分析

冰雹存在時的計算網(wǎng)格如圖6所示，全部使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總網(wǎng)格量350萬，使用動態(tài)網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)來模擬冰雹的實時運動，同時實時監(jiān)控其運動軌跡。

(a) 表面網(wǎng)格1

(b) 表面網(wǎng)格2圖6 冰雹排除計算網(wǎng)格Fig.6 Computational grids in hail exclusion

該發(fā)動機的計算工況如表1所示，根據(jù)本文建立的外來物排除計算方法得到的結(jié)果為：四顆冰雹均與進氣道壁面發(fā)生碰撞。

表1 冰雹排除計算工況

所有的計算工況下，四顆冰雹均與壁面發(fā)生了碰撞，并未發(fā)生沒有碰撞直接進入主發(fā)動機或者旁通道的現(xiàn)象。由于質(zhì)量特性的不同，碰撞發(fā)生的先后順序也存在差異。整個過程為冰雹在初始速度下向發(fā)動機進氣道內(nèi)部運動，同時氣流的作用力改變了其三向運動速度和三軸轉(zhuǎn)動速度，其運動軌跡也隨之變化。當(dāng)冰雹向著壁面運動并且最小間距小于設(shè)定的閾值時，調(diào)用LS-DYNA軟件計算碰撞過程。

其中一個狀態(tài)的碰撞發(fā)生后的仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出：碰撞之后冰雹碎裂成若干個小冰塊，這些小冰塊的最大體積遠小于發(fā)動機的排異尺寸，并且碰撞完成后，整個冰雹的動能損失極大，碰完的小碎塊反彈速度很小，多數(shù)沿著壁面向進氣道內(nèi)部滑向旁通道區(qū)域。因此，對于冰雹進入進氣道的情形，運動過程實際上應(yīng)該是：運動-碰撞-破碎-排除，即使是碰撞完的碎片進入主發(fā)動機，也因尺寸遠小于吞咽極限而不會對壓氣機系統(tǒng)造成明顯影響，因此該工況下的冰雹異物對發(fā)動機安全性的影響不大。

(a) 冰雹初始位置

(b) 冰雹撞擊位置

(c) 冰雹撞擊開始

(d) 冰雹撞擊結(jié)束

(e) 撞擊過程法向速度變化

(f) 撞擊過程能量損失圖7 冰雹排除計算結(jié)果(唇口中部)Fig.7 Exclusion results of hail located in middle of engine inlet

4.2 冰塊排除特性分析

冰塊的計算工況與冰雹一致，其計算網(wǎng)格同樣采用非結(jié)構(gòu)動態(tài)網(wǎng)格重構(gòu)，網(wǎng)格量約為400萬，如圖8所示。

(a) 唇口上部冰塊計算網(wǎng)格

(b) 下壁面結(jié)冰區(qū)冰塊計算網(wǎng)格圖8 計算網(wǎng)格Fig.8 Computation grids of hail

各個工況下的計算結(jié)果如表2所示，可以看出：當(dāng)冰塊位于唇口周圍時，在所有的計算工況下唇口周圍上下左右部分的冰塊最終都與進氣道壁面發(fā)生了碰撞。

表2 冰塊排除結(jié)果

H=6 000 m，Ma=0.527，攻角和側(cè)滑角均為0°時的唇口下部冰塊的計算結(jié)果如圖9所示。冰塊不同于冰雹，它沒有初始速度，即相對發(fā)動機的初始速度為0，之后在氣流的作用下，承受三軸力和力矩，開始進行運動，姿態(tài)也隨之發(fā)生變化，最終當(dāng)冰塊與壁面之間的距離不斷減小并小于設(shè)定的閾值時，認為碰撞發(fā)生，調(diào)用LS-DYNA進行碰撞分析。

(a) 唇口下部冰塊初始位置

(b) 唇口下部冰塊碰撞位置

(c) 唇口下部冰決撞擊前

(d) 唇口下部冰塊撞擊后圖9 冰塊排除計算結(jié)果(唇口下部)Fig.9 Exclusion results of ice cube located at the bottom of engine inlet

從圖9可以看出：冰塊與壁面發(fā)生碰撞時，更易碎成若干很小的冰塊，這些冰塊的尺寸遠小于發(fā)動機的排異尺寸，因為能量損失，同樣也會沿著進氣道壁面滑向旁通道，不會嚴重威脅發(fā)動機的安全。

所有工況下，當(dāng)冰塊位于進氣道內(nèi)部下壁面結(jié)冰區(qū)時，30°偏角的冰塊在氣流作用下未與壁面發(fā)生碰撞，而是直接進入了主發(fā)動機。H=6 000 m，Ma=0.527，攻角和側(cè)滑角均為0°時的下壁面結(jié)冰區(qū)冰塊的計算結(jié)果如圖10所示。

(a) 下壁面結(jié)冰區(qū)冰塊初始位置

(b) 下壁面結(jié)冰區(qū)冰塊進入主發(fā)動機圖10 下壁面結(jié)冰區(qū)冰塊的計算結(jié)果Fig.10 Exclusion results of ice cube near lower wall of engine inlet

從圖10可以看出：在氣流的作用下，冰塊向發(fā)動機內(nèi)部翻滾飄入主發(fā)動機，這種情形十分危險，盡管進入主發(fā)動機的冰塊會與其葉片等發(fā)生碰撞，之后碎裂成較小的冰塊，但是碰撞過程中尺寸較大、速度較高的冰塊極易損傷發(fā)動機內(nèi)部部件，對其性能和安全性產(chǎn)生嚴重的威脅。

綜合冰塊的計算結(jié)果可以看出：唇口的冰塊進入進氣道后，易碰撞在進氣道內(nèi)部壁面上破碎，對于發(fā)動機的威脅較??；而進氣道下壁面結(jié)冰區(qū)的冰塊有不碰撞直接進入主發(fā)動機的趨勢，極可能對發(fā)動機產(chǎn)生嚴重威脅，因此在進行進氣道設(shè)計時，該處需要特別注意設(shè)置相應(yīng)的防冰措施。

5 結(jié) 論

(1) 冰雹進入進氣道后，在選定的計算工況下，均與壁面發(fā)生碰撞，碎裂成的小冰塊尺寸遠小于發(fā)動機排異能力，對發(fā)動機威脅較小。

(2) 唇口周圍的冰塊在氣流作用下運動，均與壁面碰撞破碎，對發(fā)動機威脅很??；但是下壁面結(jié)冰區(qū)的冰塊有不發(fā)生碰撞直接進入主發(fā)動機的趨勢，對整個發(fā)動機性能和安全威脅極大，需要重點關(guān)注。

該領(lǐng)域的研究工作尚處于起步階段，缺少大量試驗數(shù)據(jù)的支撐，下一步需要結(jié)合試驗方法以及更細致的氣動設(shè)計方法，對發(fā)動機性能分析、進氣道設(shè)計以及旁通道設(shè)計進行深入研究。