大氣雨濃度與飛行迎角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇影響的數(shù)值研究*

傅文廣 余軍楊 郭重佳 孫 鵬

（1.中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院）

0 引言

飛機(jī)在降雨環(huán)境下起飛爬升會(huì)受到雨滴和飛行迎角的共同影響，雨滴的吸入會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的工作狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能與穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致空中熄火停車[1-4]。同時(shí)，飛行迎角引起的進(jìn)口總壓畸變也是發(fā)動(dòng)機(jī)主要的外部降穩(wěn)因子[5-6]。從1977年以來，民航客機(jī)因吸雨而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)失效所引起的空難已導(dǎo)致上百人遇難[7-9]。由于這一系列事件的惡劣影響，美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)、歐洲航空安全局（EASA）、中國(guó)民航局(CAAC)均就航空發(fā)動(dòng)機(jī)吸雨制定了適航標(biāo)準(zhǔn)，并隨著飛行經(jīng)驗(yàn)的積累和航空客機(jī)的發(fā)展做了多次修訂。我國(guó)還于1987 年制定了GJB-241-87《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》和GJB-242-87《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》，明確進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面吞水模擬實(shí)驗(yàn)。

從二十世紀(jì)八十年代至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同雨（水）量、雨滴直徑、雨滴動(dòng)量以及雨滴的破碎和蒸發(fā)等影響下發(fā)動(dòng)機(jī)或壓氣機(jī)的影響開展了大量實(shí)驗(yàn)和仿真研究。S.N.B Murthy[10]開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，水對(duì)葉頂間隙的影響可能造成堵塞從而引起喘振。Yang L等[11]發(fā)現(xiàn)液滴的攝入給氣流帶來了外部擾動(dòng)，對(duì)湍流動(dòng)能有一定的耗散作用，加劇了葉頂區(qū)域湍流的非定常性。劉奧鋮[12]通過研究不同吞雨形式下某三級(jí)壓氣機(jī)性能，發(fā)現(xiàn)雨滴與氣流之間的滑移速度引起額外的流動(dòng)損失，級(jí)間匹配性能惡化。非均勻吞雨條件下，雨滴的集中分布區(qū)域壓氣機(jī)內(nèi)存在流場(chǎng)畸變，隨著級(jí)數(shù)的增加，壓氣機(jī)內(nèi)流場(chǎng)畸變程度增大。張志偉[13]以壓氣機(jī)靜葉葉柵為研究對(duì)象開展實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同含水量的來流在葉柵中破碎后液滴直徑基本相同，隨著含水量的增加，葉片載荷降低，總壓損失系數(shù)增加，葉柵尾緣附近氣流含水量對(duì)葉柵落后角和氣流轉(zhuǎn)折角影響較大。侯圣文[14]和夏國(guó)正[15-16]等對(duì)不同工況多因素雨滴進(jìn)行研究，得出適當(dāng)吞水有助于降低進(jìn)氣溫度，提高循環(huán)效率。另外，Volk[17]通過對(duì)十年間世界各地飛機(jī)在惡劣環(huán)境下失事事例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，雨水對(duì)飛機(jī)影響較大的階段多為飛機(jī)起飛或降落階段，即飛機(jī)存在一定迎角條件下。因此，有必要對(duì)雨水和飛行迎角耦合條件下航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性及影響機(jī)理開展研究。近年，王司昭[18]探究了不同降雨強(qiáng)度、迎角和飛行階段下發(fā)動(dòng)機(jī)的吞雨特性，結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口大氣雨濃度會(huì)隨著降雨強(qiáng)度和飛行速度的增加而增大，攻角變化對(duì)其影響較小。然而，對(duì)于不同飛行迎角的進(jìn)口總壓畸變條件下，雨滴在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮部件內(nèi)的分布情況及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的機(jī)理尚不明確，還需進(jìn)一步開展研究。

本文通過構(gòu)建民航發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙-風(fēng)扇一體化模型，基于兩相流原理，結(jié)合相關(guān)適航條款要求，利用數(shù)值仿真分析大氣雨濃度及飛行迎角兩者耦合對(duì)風(fēng)扇的影響，重點(diǎn)關(guān)注雨滴的分布規(guī)律、風(fēng)扇氣動(dòng)性能及流場(chǎng)的變化情況，為發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜進(jìn)氣條件下的研究提供一定的參考。

1 方法

1.1 物理模型與網(wǎng)格

本文以某小型高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙-風(fēng)扇級(jí)為研究對(duì)象，風(fēng)扇具體參數(shù)如表1所示，短艙及其所處計(jì)算域如圖1，計(jì)算域具體尺寸長(zhǎng)×寬×高為35Di×30Di×30Di，Di為短艙進(jìn)氣道內(nèi)徑。

表1 風(fēng)扇與OGV設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of fan and OGV

圖1 短艙風(fēng)扇一體化模型Fig.1 Integrated model of nacelle fan

短艙與風(fēng)扇一體化模型及外流場(chǎng)計(jì)算域采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。短艙壁面周圍及進(jìn)氣口附近采用O 型網(wǎng)格，其他部分采用H型網(wǎng)格。短艙壁面及流場(chǎng)中參數(shù)變化較為劇烈的區(qū)域如短艙唇口等區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，第一層網(wǎng)格厚度為5×10-3mm，網(wǎng)格數(shù)量約為594萬。風(fēng)扇動(dòng)、靜葉采用CFX 中的TurboGrid 模塊進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，葉片周圍采用O-4H 型網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了能夠更好地模擬附面層內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)模型中的近壁面以及葉片前后緣區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密，葉片第一層網(wǎng)格厚度設(shè)置為3.5×10-3mm。以保證壁面y+值滿足湍流模型的要求。數(shù)值計(jì)算的動(dòng)葉全通道網(wǎng)格數(shù)約為700萬，靜葉全通道網(wǎng)格數(shù)約為674 萬。計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)約1968 萬，具體如圖2和圖3所示。

圖2 短艙表面及子午面網(wǎng)格Fig.2 Grid of nacelle surface and meridian surface

圖3 風(fēng)扇和OGV網(wǎng)格Fig.3 Grid of fan and OGV

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本研究分別選取計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為745萬、970萬、1300萬、1660 萬、1968 萬、2200 萬和2360 萬共計(jì)7 組進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性驗(yàn)證，得到了風(fēng)扇的總壓比和絕熱效率，以及短艙進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)隨網(wǎng)格數(shù)量n的變化關(guān)系曲線，如圖4 所示，可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于1968 萬時(shí)，各參數(shù)隨著網(wǎng)格數(shù)量的變化基本保持不變，其中風(fēng)扇總壓比最大偏差0.06%，絕熱效率最大偏差0.33%，而總壓恢復(fù)系數(shù)最大偏差僅0.01%。因此，本文計(jì)算域所采用的1968萬網(wǎng)格數(shù)滿足無關(guān)性要求。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性Fig.4 Grid independence

1.3 邊界條件

本文針對(duì)100%轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇吞雨過程進(jìn)行數(shù)值模擬，其中計(jì)算域的外流場(chǎng)采用opening 邊界，進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口類型；流體域內(nèi)有動(dòng)葉區(qū)域與靜葉區(qū)域，流體域與動(dòng)葉區(qū)域、動(dòng)葉區(qū)域與靜葉區(qū)域交界的面均設(shè)置為Interface，靜葉區(qū)域出口邊界條件設(shè)置為壓力出口邊界，通過改變出口壓力調(diào)節(jié)風(fēng)扇工況，進(jìn)氣道及短艙壁面設(shè)置為絕熱、無滑移，具體見圖5。

圖5 邊界條件Fig.5 Boundary conditions

根據(jù)《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》(CCAR-33-R2)附錄B 給出的發(fā)動(dòng)機(jī)合格審定標(biāo)準(zhǔn)的大氣雨濃度，海平面下大氣雨水含量(20g/m3)，結(jié)合本文選取的計(jì)算域大小，將數(shù)值計(jì)算域進(jìn)口邊界的大氣雨濃度分別設(shè)置為0kg/s、220.5kg/s 和670kg/s，從而獲得干工況、2%和4%吞雨量的計(jì)算工況。此外，前有研究[19-20]表明在吞雨試驗(yàn)中雨滴直徑一般不大于2mm，因此本研究給定外域進(jìn)口大氣的雨滴直徑為2mm。為了綜合耦合飛行迎角的影響因素，根據(jù)《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》（CCAR-25-R4）中操縱性和機(jī)動(dòng)性[21]規(guī)定：飛機(jī)起飛過程中，為保證安全，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎中的機(jī)動(dòng)飛行坡度不超過30°，本研究選擇0°，15°，20°，25°和27°迎角進(jìn)行數(shù)值仿真。

1.4 粒子追蹤法

氣液兩相流計(jì)算方法主要包括兩種：歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法。雙歐拉法計(jì)算了每一離散相在總空間中所占的體積分?jǐn)?shù)，之后對(duì)離散相進(jìn)行均勻化處理，因此在雙歐拉法中可以將多相流中每一相均看作連續(xù)介質(zhì)。雙歐拉法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)每一相處理方式相同，因此在數(shù)值模擬過程中可以用單相模擬方程來模擬多相流，計(jì)算成本較低，且湍流在計(jì)算過程中會(huì)被自動(dòng)考慮進(jìn)去。歐拉-拉格朗日模型將離散相與連續(xù)相單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，研究單獨(dú)點(diǎn)不同參數(shù)（如速度、質(zhì)量）等隨時(shí)間的變化以及不同點(diǎn)之間參數(shù)的變化，然后將所有的運(yùn)動(dòng)情況綜合起來。由于在研究過程中將每個(gè)點(diǎn)視為只有質(zhì)量沒有體積的點(diǎn)，因此適用于兩相體積分?jǐn)?shù)差別較大的情況。歐拉-拉格朗日模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)顆粒的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行完整的追蹤，較好地捕捉在顆粒運(yùn)動(dòng)過程中各參數(shù)的變化，得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，但當(dāng)氣液兩相體積分?jǐn)?shù)差別較大時(shí)會(huì)增大計(jì)算成本。

由于氣液兩相體積分?jǐn)?shù)差別較大，為了在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇吞雨過程中取得較好的數(shù)值模擬結(jié)果，將雨滴按照離散相進(jìn)行處理，空氣作為連續(xù)相進(jìn)行處理，即采用歐拉-拉格朗日法。

1.5 數(shù)值模擬方法

吞雨過程中涉及到兩相流，采用的兩相流模型為歐拉-拉格朗日模型，此模型適用于體積分?jǐn)?shù)相差較大的兩相。吞雨過程中，雨滴為離散相，空氣為連續(xù)相，且兩者體積分?jǐn)?shù)差別較大，因此歐拉-拉格朗日模型滿足要求。連續(xù)相控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程；離散相控制方程主要有雨滴運(yùn)動(dòng)方程、傳熱方程等，具體公式可見文獻(xiàn)[22]。

吞雨過程中雨滴與空氣兩者之間存在相對(duì)速度，進(jìn)而導(dǎo)致雨滴變形破碎，雨滴破碎后形態(tài)與液滴韋伯?dāng)?shù)有關(guān)，韋伯?dāng)?shù)不同雨滴破碎形態(tài)不同，本文選取CFX 軟件中的CAB破碎模型。對(duì)于液滴的碰壁形式，CFX軟件中提供了Equation Dependent 模型和Wall Film 模型，Wall Film 模型能更準(zhǔn)確地模擬液滴撞擊壁面的情況，但此模型只適用于非定常計(jì)算，且計(jì)算成本高。而采用Equation Dependent模型時(shí)，當(dāng)垂直速度回收系數(shù)和水平速度回收系數(shù)分別為0.3 和0.9 時(shí)，其數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[24]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相似，可以滿足數(shù)值仿真的計(jì)算要求。

圖6 所示為Equation Dependent 模型的垂直回收系數(shù)和水平回收系數(shù)的示意圖，圖中垂直方向回收系數(shù)為0.5，水平方向回收系數(shù)為0.75。Equation Dependent 模型在定常計(jì)算和非定常計(jì)算中均可使用，計(jì)算成本小。在綜合考慮計(jì)算成本和計(jì)算要求的基礎(chǔ)上，本文選取Equation Dependent模型作為液滴碰壁模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖6 回收系數(shù)示意圖Fig.6 Recovery coefficient diagram

1.6 數(shù)值校核

利用發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真試驗(yàn)平臺(tái)提取的100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓比和效率特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)[23]，對(duì)本文的數(shù)值方法進(jìn)行校核。

如圖7所示。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體變化趨勢(shì)基本相同，且最大誤差在5%之內(nèi)，基本符合工程需求，說明本文采取的網(wǎng)格數(shù)量、邊界條件和湍流模型滿足研究對(duì)象的計(jì)算需求。

圖7 數(shù)值校核結(jié)果Fig.7 Numerical verification results

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 性能分析

總壓恢復(fù)系數(shù)是衡量進(jìn)氣道性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，具體表示為：

圖8 不同雨濃度和迎角條件下總壓恢復(fù)系數(shù)特性Fig.8 Characteristics of inlet total pressure recovery coefficient curve under different rainfall concentrations and angles of attack

如圖8（a）可知：不同大氣雨濃度條件下（包括干工況），隨著飛行迎角的增大，總壓恢復(fù)系數(shù)逐漸降低；且各工況條件下，隨著迎角的增大，總壓恢復(fù)系數(shù)曲線變化率增大。另外，對(duì)比干工況和另外兩個(gè)大氣雨濃度條件下進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)隨迎角的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)三種條件下總壓恢復(fù)系數(shù)隨迎角增大的變化趨勢(shì)基本一致，且隨著大氣雨濃度的增加曲線整體下移。

如圖8（b）所示，相同迎角條件下，吞雨后進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)小于干工況條件下的總壓恢復(fù)系數(shù)，不同迎角條件下曲線變化規(guī)律基本一致。此外，隨著飛行迎角的增大，進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)畸變程度增加，流場(chǎng)更為復(fù)雜，使得進(jìn)氣道內(nèi)總壓損失增大，總壓恢復(fù)系數(shù)減小。相比0°迎角干工況條件，27°迎角干工況條件下進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)減小0.23%，670kg/s 大氣雨濃度條件下總壓恢復(fù)系數(shù)減小0.13%，27°迎角，670kg/s 大氣雨濃度條件下總壓恢復(fù)系數(shù)減小0.34%。

圖9為不同迎角和大氣雨濃度條件下風(fēng)扇效率與壓比特性曲線圖。由圖可知：同一迎角條件下，干工況與吞雨兩種情況下，效率與壓比的整體變化趨勢(shì)基本相同：隨著流量的減小，效率先升高后降低，風(fēng)扇逐漸靠近失速邊界進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，在堵塞邊界效率差別較大，在失速邊界效率差別較小。較干工況時(shí)，降雨條件下風(fēng)扇效率和壓比整體有所下降，大氣雨濃度越大，降低幅度越大，但失速點(diǎn)沒有明顯變化。從堵塞點(diǎn)到失速點(diǎn)的過程中，風(fēng)扇效率和壓比降低幅度逐漸減小。另外，隨著迎角的增大，不同大氣雨濃度情況下，風(fēng)扇效率和壓比特性曲線較為相似，但迎角越大，失速點(diǎn)越靠前，穩(wěn)定工作范圍減小。相比0°迎角的干工況條件，27°迎角干工況條件同被壓點(diǎn)壓比下降1.07%，效率下降0.70%，0°迎角670kg/s大氣雨濃度工況同背壓點(diǎn)壓比下降0.17%，效率下降0.63%；27°迎角670kg/s大氣雨濃度耦合條件下壓比下降1.15%，效率下降1.07%。

圖9 不同迎角和雨濃度條件下效率和壓比特性Fig.9 Efficiency and pressure ratio characteristics under different attack angles and rain concentration conditions

穩(wěn)定裕度是用來衡量工作部件穩(wěn)定工作范圍的參數(shù)，具體表示為：

式中，ms和分別為近失速工況的流量和總壓比，mo和為設(shè)計(jì)工況的流量和總壓比。

由圖10（a）可知：不同吞雨條件下，隨著迎角的增大，穩(wěn)定裕度不斷減小，其變化規(guī)律與進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)特性較為相似。隨著大氣雨濃度增大，風(fēng)扇穩(wěn)定裕度曲線整體下移，但相對(duì)干工況條件，風(fēng)扇裕度減小幅度相比因迎角增大而導(dǎo)致的裕度減小幅度較小。

圖10 不同雨濃度和迎角條件下風(fēng)扇穩(wěn)定裕度特性Fig.10 Fan stability margin characteristics under different rainfall concentrations and attack angles

如圖10（b）所示，在同一迎角下，風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度隨著大氣雨濃度的增大而減小，減小趨勢(shì)平緩。相應(yīng)的，隨著迎角增大，曲線整體下移。相比0°迎角干工況條件，27°迎角干工況同被壓點(diǎn)風(fēng)扇穩(wěn)定裕度減小13.47%；0°迎角，670kg/s同被壓點(diǎn)風(fēng)扇穩(wěn)定裕度減小1.61%；27°迎角，670kg/s大氣雨濃度工況條件下同被壓點(diǎn)風(fēng)扇穩(wěn)定裕度減小15.06%。

2.2 流場(chǎng)分析

由進(jìn)氣道和風(fēng)扇部件的特性分析可知，迎角與大氣雨濃度較小時(shí)，兩者耦合對(duì)風(fēng)扇的影響較小，為了方便對(duì)比分析兩者耦合對(duì)風(fēng)扇的影響，選取大氣雨濃度為670kg/s，迎角為0°，20°，27°這三種情況下對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)進(jìn)行分析，探究風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)特性以及雨滴在風(fēng)扇內(nèi)的流動(dòng)分布情況。圖11 為0°，20°和27°迎角條件下風(fēng)扇和OGV 通道內(nèi)雨滴分布示意圖。圖中視圖方向?yàn)檠剡M(jìn)氣方向，1-14為動(dòng)葉葉片編號(hào)，由1號(hào)葉片開始，沿逆時(shí)針方向每?jī)蓚€(gè)葉片間為一個(gè)通道，記為P1-P14 葉片通道。如圖11（a）所示，雨滴進(jìn)入風(fēng)扇動(dòng)葉區(qū)域時(shí)，雨滴在各風(fēng)扇通道內(nèi)部的分布情況相對(duì)較為均勻，而在靜葉區(qū)域雨滴集中分布在靜葉葉尖區(qū)域，這是因?yàn)橛甑芜M(jìn)入動(dòng)葉區(qū)域后受到動(dòng)葉離心力的作用，雨滴沿上半葉高區(qū)域運(yùn)動(dòng)，由于慣性作用，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到靜葉區(qū)域時(shí)雨滴就主要集中在葉尖區(qū)域。此外，可以看到：當(dāng)迎角為20°時(shí)，雨滴分布出現(xiàn)一定差異，在P1-P5葉片通道雨滴數(shù)目略微減少，在6-14通道雨滴略微數(shù)目增多，但整體差異較小，在靜葉區(qū)域可以看到雨滴在右下方區(qū)域數(shù)量有一定程度的增加；當(dāng)迎角為27°時(shí)，6-14通道內(nèi)雨滴數(shù)目急劇減小，可以看到此時(shí)雨滴主要集中在進(jìn)口截面以及靜葉區(qū)域的右下側(cè)，雨滴分布極不均勻。

圖11 不同迎角條件下雨滴在風(fēng)扇級(jí)內(nèi)的分布情況Fig.11 Distribution of raindrops in fan stage at different angles of attack

根據(jù)上文的分析結(jié)果可知，降雨條件下，隨著飛行迎角的增大，雨滴在風(fēng)扇和OGV 通道內(nèi)的分布不均勻度逐漸增加。由相關(guān)研究可知，迎角增大會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總壓畸變，圖12給出了大氣雨濃度為670kg/s時(shí)0°和27°迎角工況下進(jìn)氣道出口及子午面總壓恢復(fù)系數(shù)分布云圖，藍(lán)色標(biāo)示箭頭表示進(jìn)氣方向?？梢钥闯?°迎角情況下，進(jìn)氣道內(nèi)損失主要集中于壁面區(qū)域，而迎角增大至27°時(shí)，進(jìn)氣道出口截面以及子午面內(nèi)黑色虛線標(biāo)示區(qū)域出現(xiàn)一明顯總壓損失區(qū)，可知迎角增大造成風(fēng)扇前進(jìn)氣道內(nèi)總壓畸變。另外，進(jìn)氣道主流區(qū)內(nèi)存在的部分黃色區(qū)域主要是由于雨滴的存在而造成的一部分總壓損失。進(jìn)氣總壓畸變進(jìn)一步使下游風(fēng)扇周向各通道內(nèi)的流場(chǎng)參數(shù)分布不均，因此需要分析進(jìn)氣總壓畸變與雨滴分布兩者之間的聯(lián)系。

以27°迎角為例，圖13為27°迎角時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口截面畸變流場(chǎng)區(qū)域與雨滴分布情況，從圖中可以看出：27°迎角時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)明顯的畸變區(qū)，畸變區(qū)范圍主要在動(dòng)葉P1-P5號(hào)葉片通道上游區(qū)域，即圖10中黑色方框區(qū)域所表示的區(qū)域。通過分析兩圖發(fā)現(xiàn)，在迎角與大氣雨濃度耦合條件下，迎角增大出現(xiàn)明顯畸變區(qū)時(shí)，畸變區(qū)內(nèi)雨滴的數(shù)目減少，而在遠(yuǎn)離畸變區(qū)（圖中截面右下方區(qū)域）雨滴數(shù)目增加，雨滴在風(fēng)扇內(nèi)的不均勻分布，即畸變區(qū)的存在會(huì)對(duì)雨滴的分布情況產(chǎn)生影響。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因?yàn)轱w行迎角增大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流角增加，同時(shí)在下游風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)作用下，進(jìn)氣道畸變區(qū)域內(nèi)流體切向速度增大，軸向速度減小，進(jìn)氣道內(nèi)流量分布向非畸變區(qū)匯集，畸變區(qū)內(nèi)流量減小。因此，造成空氣流量攜帶雨滴向非畸變區(qū)匯集，畸變區(qū)雨滴數(shù)目減少，進(jìn)而導(dǎo)致雨滴在風(fēng)扇和OGV通道內(nèi)分布不均。因此，雨水沒有明顯使受總壓畸變影響通道內(nèi)的流場(chǎng)畸變程度明顯增強(qiáng)，但非畸變區(qū)域通道內(nèi)雨滴數(shù)目增多勢(shì)必會(huì)惡化該區(qū)域的流場(chǎng)。

圖13 27°迎角進(jìn)氣畸變與雨滴分布Fig.13 Inlet distortion and raindrop distribution at 27°attack angle

圖14為不同大氣雨濃度和迎角條件下，動(dòng)葉98%葉高處S1面馬赫數(shù)云圖。圖中1-14號(hào)表示葉片編號(hào)。由圖可知，干工況條件下：0°迎角時(shí)，風(fēng)扇各通道中速度分布基本一致，各葉柵通道內(nèi)低速區(qū)面積與馬赫數(shù)變化不大；隨著迎角的增大至27°時(shí)，明顯可以看到P1-P5 號(hào)葉片間葉柵通道低速區(qū)面積增大，5-14號(hào)葉片間葉柵通道低速區(qū)面積逐漸減小，馬赫數(shù)略微增加。原因?yàn)殡S著迎角的增大，風(fēng)扇通道上游進(jìn)氣道內(nèi)存在局部流場(chǎng)畸變，經(jīng)上文分析可知，畸變區(qū)內(nèi)氣體切向速度增大，軸向速度減小，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣道內(nèi)畸變區(qū)下游位置處風(fēng)扇通道進(jìn)口氣流角增大，該部分風(fēng)扇通道內(nèi)堵塞效應(yīng)增強(qiáng)，流通能力減弱，且迎角越大，該效應(yīng)越強(qiáng)。

圖14 不同迎角/吞雨條件下動(dòng)葉98%葉高S1面馬赫數(shù)云圖Fig.14 Mach number contour of S1 surface of rotor blade 98%blade height at different attack angles and rain swallowing conditions

Williams J[24]研究指出水滴在壓氣機(jī)中的蒸發(fā)量非常小，空氣的熱力學(xué)影響可忽略不計(jì)，所以大部分雨滴仍以液相存在。另外，楊璐[25]研究表明液滴的進(jìn)入導(dǎo)致葉頂處流動(dòng)更加紊亂，葉柵的通流能力減弱、流量減小，進(jìn)而導(dǎo)致葉尖處氣流角增大，壓氣機(jī)壓縮性能下降，失速邊界變窄。因此，不同迎角情況下吞雨后葉柵通道內(nèi)低速區(qū)面積較干工況有一定程度的增大，0°迎角時(shí)，吞雨條件下較干工況各葉柵通道內(nèi)低速區(qū)面積略微增加，各低速區(qū)增加程度較為一致；可知當(dāng)不存在流場(chǎng)畸變時(shí)，雨水對(duì)均勻進(jìn)口條件下風(fēng)扇各通道仍有一定的堵塞作用。迎角為27°時(shí)，吞雨后P1-P5 號(hào)葉片間葉柵通道內(nèi)低速區(qū)面積及馬赫數(shù)較干工況基本保持不變，而其他葉柵通道內(nèi)低速區(qū)較干工況有一定程度減弱，尤其是P9-P12 號(hào)通道。由前文分析可知，不同迎角下雨滴在葉柵通道內(nèi)分布不均勻，迎角為27°時(shí)P1-P5號(hào)葉片間葉柵通道內(nèi)雨滴數(shù)目較少，雨滴大多集中在其余受畸變影響較小的葉柵通道內(nèi)，即處于畸變區(qū)的風(fēng)扇葉柵通道內(nèi)雨滴數(shù)目較少，在進(jìn)氣畸變影響較弱的風(fēng)扇葉片通道內(nèi)雨滴數(shù)目較多，進(jìn)氣總壓畸變影響了雨滴在風(fēng)扇內(nèi)的分布狀況。由于雨滴的存在會(huì)影響葉柵通道中流體的流動(dòng)，雨滴在葉尖區(qū)域堆積時(shí)，一定程度上會(huì)惡化葉柵流通能力。因此，P1-P5號(hào)葉片間葉柵通道內(nèi)（畸變區(qū)）雨滴數(shù)目較少，低速區(qū)變化較?。欢渌~片間葉柵通道內(nèi)（非畸變區(qū)）雨滴數(shù)目多，故低速區(qū)范圍有所增大。綜上所述，在不同飛行迎角情況下，大氣雨濃度對(duì)風(fēng)扇的影響主要集中在受進(jìn)氣總壓畸變影響較小的部分葉片通道，而對(duì)處于總壓畸變影響區(qū)域內(nèi)的風(fēng)扇葉片通道影響較小。

圖15 為0°、27°迎角時(shí)，不同吞雨條件下，動(dòng)葉通道出口S3 面靜熵云圖。Nikolaidis[26]研究發(fā)現(xiàn)水滴會(huì)在葉片表面形成水膜，水膜會(huì)受到離心力、氣動(dòng)力、壓力梯度力等力的作用。此外，夏國(guó)正[15]指出液態(tài)水的吸入使得吸力面氣流分離區(qū)域向前緣移動(dòng)，葉背附面層損失增大，葉柵通流能力降低。圖15中帶狀區(qū)域?yàn)轱L(fēng)扇尾跡區(qū)，尾跡區(qū)熵值相對(duì)較高，干工況條件下尾跡區(qū)熵值高是因?yàn)槿~片表面附面層在葉片尾緣處匯聚造成的，而對(duì)于吞雨條件下，不僅有上述原因，雨滴從葉片尾緣處離開進(jìn)入尾跡區(qū)，增加流動(dòng)損失也是一方面原因[27]，沿著葉高方向，尾跡區(qū)面積逐漸增大，在接近葉尖區(qū)域出現(xiàn)的高損區(qū)，這是因?yàn)橛甑卧陔x心力的作用下運(yùn)動(dòng)到上半葉高區(qū)域并形成水膜，使得流動(dòng)損失增大，熵值增加。同時(shí)，葉尖處由于吸力面與壓力面壓差的存在使得葉尖區(qū)域存在泄漏渦，泄漏渦是造成葉尖區(qū)域存在高熵區(qū)的另一個(gè)重要原因。

圖15 不同迎角和雨濃度條件下動(dòng)葉出口S3面靜熵云圖Fig.15 Static entropy contour of rotor blade outlet surface S3 under different attack angles and rain concentration condition

如圖15所示，在0°迎角時(shí)，吞雨條件下尾跡區(qū)與葉尖區(qū)域靜熵較干工況略有增加；當(dāng)迎角為27°時(shí)，干工況條件下，可以看到在1-4 葉片葉尖處葉柵通道內(nèi)的熵值增大，面積增大，這是因?yàn)樵谶@一區(qū)域受到進(jìn)氣畸變的影響；對(duì)比迎角為27°，670kg/s 大氣雨濃度時(shí)與干工況兩種條件發(fā)現(xiàn)，差異主要集中在7-11風(fēng)扇通道內(nèi)，可以看到吞雨后通道內(nèi)高熵區(qū)面積與熵值明顯大于干工況條件。由前文分析可知，這是因?yàn)楫?dāng)迎角為27°時(shí)，此時(shí)雨滴主要集中在受進(jìn)氣畸變影響較小的7-11 葉柵通道內(nèi)，雨滴運(yùn)動(dòng)到葉尖區(qū)域時(shí)會(huì)與壁面發(fā)生碰撞，增加了動(dòng)量損失，同時(shí)雨滴破碎后也增加了與氣流間的阻力；另一方面，雨滴會(huì)對(duì)端壁區(qū)的流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，加大流場(chǎng)的流動(dòng)損失，因此這一區(qū)域高熵區(qū)有明顯的增加。

3 結(jié)論

本文通過構(gòu)建短艙-風(fēng)扇一體化模型，基于兩相流原理，利用數(shù)值仿真研究分析不同飛行迎角及大氣雨濃度對(duì)風(fēng)扇性能、流場(chǎng)的影響，得到以下結(jié)論：

1）降雨濃度和飛行迎角增大均會(huì)惡化進(jìn)氣道和風(fēng)扇級(jí)的性能，相比干工況均勻進(jìn)口條件下，27°迎角干工況條件進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)下降0.23%，壓比下降1.07%，效率下降0.70%，風(fēng)扇穩(wěn)定裕度減小13.47%；0°迎角，670kg/s大氣雨濃度工況總壓恢復(fù)系數(shù)下降0.13%，壓比下降0.17%，效率下降0.63%，裕度減小1.61%；27°迎角，670kg/s大氣雨濃度耦合條件下總壓恢復(fù)系數(shù)下降0.34%，壓比下降1.15%，效率下降1.07%，裕度減小15.06%。

2）吞雨后，隨著飛行迎角增大，雨滴在風(fēng)扇內(nèi)分布不均勻，飛行迎角增大引起的進(jìn)氣總壓畸變影響較大的風(fēng)扇和OGV葉片通道內(nèi)雨滴數(shù)目減小，非畸變區(qū)風(fēng)扇葉片通道內(nèi)雨滴數(shù)目增加，雨水與飛行迎角耦合條件下，雨水主要惡化進(jìn)氣總壓畸變影響較弱區(qū)域的風(fēng)扇和OGV葉片通道的流場(chǎng)，使得該部分葉片通道內(nèi)堵塞效用增強(qiáng)，在靠近葉頂位置處葉片表面形成水膜，附面層和尾跡損失進(jìn)一步增大。

3）飛行迎角增大導(dǎo)致進(jìn)氣總壓畸變，該區(qū)域內(nèi)流體切向速度增大，軸向速度減小，畸變區(qū)內(nèi)流量減小，氣流攜帶雨滴向非畸變區(qū)匯集，導(dǎo)致畸變區(qū)風(fēng)扇通道內(nèi)雨滴數(shù)目減少，進(jìn)而導(dǎo)致雨滴在風(fēng)扇和OGV通道內(nèi)分布不均。另外，雨水沒有明顯增強(qiáng)受總壓畸變影響通道內(nèi)的流場(chǎng)畸變程度，卻對(duì)雨滴數(shù)目增多的非畸變區(qū)域通道流場(chǎng)產(chǎn)生了一定的堵塞作用。