王靖宇，張懷寶，黃國(guó)平，王光學(xué)，鄧小剛

(1. 四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610065； 2. 中山大學(xué) 物理學(xué)院， 廣東 廣州 510006；3. 南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 江蘇 南京 210016； 4. 國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

為了滿足先進(jìn)多用途戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)動(dòng)力方案的需求，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念在20世紀(jì)60年代提出，并在技術(shù)上得到了快速的發(fā)展[1]。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)可調(diào)部件的形狀、尺寸或者位置的變化，對(duì)空氣流量、增壓比和涵道比等循環(huán)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況范圍內(nèi)始終保持較高的工作效率，從而滿足飛行器高單位推力、低巡航油耗的雙重性能要求。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和日本先后對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了相關(guān)研究，其中以通用電氣公司和普拉特·惠特尼公司為代表的美國(guó)，先后提出多種變循環(huán)設(shè)計(jì)方案[2-4]，并實(shí)現(xiàn)了YF120變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行驗(yàn)證[5]。隨后，在自適應(yīng)通用發(fā)動(dòng)技術(shù)研發(fā)計(jì)劃中，針對(duì)以自適應(yīng)循環(huán)為特征的新一代變循環(huán)技術(shù)，開展了關(guān)鍵技術(shù)研究和驗(yàn)證，并完成了技術(shù)驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)工作[6]。

相對(duì)于常規(guī)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)(Core Driven Fan Stage, CDFS)的設(shè)計(jì)，并增加了調(diào)節(jié)模式轉(zhuǎn)換閥(Mode Selector Valve, MSV)、前/后可調(diào)面積涵道引射器(Front/Rear Variable Area Bypass Injector, FVABI/RVABI)等幾何可調(diào)部件。其中，作為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的FVABI位于風(fēng)扇外涵和CDFS外涵的交接處，通過(guò)改變兩個(gè)涵道的流通面積調(diào)節(jié)流量匹配特性，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在低涵道比的渦噴模式和高涵道比的渦扇模式之間轉(zhuǎn)換。由于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)規(guī)律，目前針對(duì)FVABI研究的公開資料主要集中在總體性能和結(jié)構(gòu)可行性等方面，而關(guān)于部件性能和自身流動(dòng)現(xiàn)象方面還需進(jìn)一步深入開展研究工作。周紅等分析了FVABI和RVABI的幾何調(diào)節(jié)方式，建立了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及過(guò)渡態(tài)數(shù)學(xué)模型[7]。劉寶杰等采用流線曲率法對(duì)FVABI軸向和俯仰的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行了研究，討論了不同調(diào)節(jié)方式對(duì)兩個(gè)外涵道之間匹配工作特性的影響[8]。冷中明等提出了一種非軸對(duì)稱FVABI設(shè)計(jì)方案，并采用數(shù)值模擬的手段將其與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比[9]。張曉曼等對(duì)FVABI在飛行包線內(nèi)某兩個(gè)特征工作點(diǎn)之間的過(guò)渡態(tài)進(jìn)行了研究，總結(jié)了流量和總壓損失在模式轉(zhuǎn)換時(shí)的變化規(guī)律[10]。

對(duì)于FVABI來(lái)說(shuō)，利用CDFS外涵內(nèi)高能量流體抽吸風(fēng)扇外涵內(nèi)低能流體的引射特性是實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)改變涵道比的關(guān)鍵。本文提出了一種采用射流摻混增強(qiáng)的FVABI設(shè)計(jì)方案，通過(guò)增加波瓣混合器結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)提高風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流體摻混效率的目的。通過(guò)數(shù)值模擬的手段，并與基準(zhǔn)模型進(jìn)行了對(duì)比，著重分析了流量特性、軸向速度分布、流向渦和正交渦以及總壓損失的情況。

1 FVABI調(diào)節(jié)方式和射流摻混增強(qiáng)

1.1 調(diào)節(jié)方式

FVABI實(shí)現(xiàn)涵道面積調(diào)節(jié)的主要方式有鉸鏈阻流板式和伸縮式兩種方法[11]，其中伸縮式原理如圖1所示。單外涵模式下，F(xiàn)VABI調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)①向左縮回，CDFS外涵出口面積②增加，同時(shí)由于CDFS外涵氣流總壓大于風(fēng)扇外涵，為防止風(fēng)扇外涵氣流回流，需要關(guān)閉MSV③；雙涵道模式下，F(xiàn)VABI調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)①向右伸出，CDFS外涵道出口面積②減小，氣流在收縮通道內(nèi)加速減壓，然后與風(fēng)扇外涵氣流進(jìn)行摻混。

(a) 單外涵模式 (a) Single-bypass mode

(b) 雙外涵模式 (b) Double-bypass mode圖1 伸縮式FVABI調(diào)節(jié)示意圖[12]Fig.1 Sketch of axial adjust FVABI[12]

1.2 射流摻混增強(qiáng)方法

由于射流摻混在航空航天以及化工等相關(guān)方面的廣泛運(yùn)用，在過(guò)去數(shù)十年中先后開展了大量關(guān)于流動(dòng)控制技術(shù)的研究，以獲得更好的射流摻混性能。根據(jù)不同的作用機(jī)理，射流控制技術(shù)通?？梢苑譃槿怺13]：破壞大尺度相干結(jié)構(gòu)的有序性；提高剪切應(yīng)力；引入擾動(dòng)，激勵(lì)剪切層的固有失穩(wěn)機(jī)制。

如圖2所示，作為一種典型的加強(qiáng)射流摻混的被動(dòng)控制方式，波瓣混合器是一種帶波瓣型尾緣的分隔器，具有特殊的三維表面輪廓外形。波瓣混合器通過(guò)在兩股同向射流之間誘導(dǎo)，產(chǎn)生大尺度的流向渦結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在最少的總壓損失和盡可能短的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，有效地增強(qiáng)流動(dòng)摻混效果。自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，波瓣混合器已經(jīng)在多款航空發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)上得到了實(shí)際應(yīng)用，并取得了提高尾氣摻混效率、增加輸出推力、降低耗油率、減少排氣噪音和抑制紅外輻射的顯著效果。

圖2 波瓣混合器示意圖[13]Fig.2 Sketch of lobed mixer[13]

2 計(jì)算模型和方法

2.1 計(jì)算模型

本文計(jì)算采用的FVABI計(jì)算模型如圖3所示，由于其軸對(duì)稱的幾何特性，僅選擇包含波瓣混合器一個(gè)葉瓣的5°扇面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算域軸向長(zhǎng)度約800 mm，出口邊界徑向厚度約85 mm。FVABI幾何調(diào)節(jié)采用伸縮式的方法，在雙涵道模式下，厚度約5 mm的圓筒型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)向右伸出約80 mm。采用射流摻混增強(qiáng)的計(jì)算模型中圓筒尾緣處連接軸向長(zhǎng)度約50 mm的波瓣混合器，而用于對(duì)照的基準(zhǔn)模型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)僅包含圓筒部分。

圖3 射流摻混增強(qiáng)的FVABI計(jì)算域示意圖Fig.3 Sketch of FVABI with jet mixing enhancement

2.2 邊界條件

進(jìn)口邊界指定總溫和總壓，氣流方向?yàn)檩S向，風(fēng)扇外涵和CDFS外涵的流動(dòng)參數(shù)根據(jù)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算得到。風(fēng)扇進(jìn)口為標(biāo)準(zhǔn)大氣，風(fēng)扇和CDFS設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓比分別采用2.0和1.5，等熵效率都采用0.85。出口邊界則通過(guò)指定背壓實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，計(jì)算中采用的背壓范圍為風(fēng)扇外涵總壓的0.85至1.1倍。壁面采用無(wú)滑移絕熱邊界，而周向兩側(cè)邊界則采用周期性邊界條件。

2.3 計(jì)算網(wǎng)格

圖4 計(jì)算網(wǎng)格二維截面圖Fig.4 Mesh of 2D cutting plane of computational domain

計(jì)算網(wǎng)格二維截面如圖4所示。FVABI包括調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和波瓣混合器，以及機(jī)匣壁面附近采用的附面層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格高度給定，即0.005 mm，增長(zhǎng)率為1.2，增長(zhǎng)層數(shù)為25，這樣保證了計(jì)算結(jié)果中壁面處的y+值在2以下。通過(guò)調(diào)整增長(zhǎng)率，改變邊界層網(wǎng)格數(shù)量，預(yù)測(cè)的出口流量變化范圍在2%以下，從而保證了計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。為了更好地預(yù)測(cè)風(fēng)扇外涵和CDFS外涵氣流之間的摻混，在FVABI調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和波瓣混合器之后增加了六面體網(wǎng)格的加密區(qū)域。波瓣混合器尾緣和周期面網(wǎng)格的細(xì)節(jié)如圖5所示，計(jì)算網(wǎng)格總網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)約210萬(wàn)。

圖5 波瓣混合器尾緣及周期面網(wǎng)格細(xì)節(jié)Fig.5 Mesh of lobed mixer trailing edge and periodic boundary

2.4 計(jì)算方法

計(jì)算采用中山大學(xué)計(jì)算流體力學(xué)研究中心非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格求解平臺(tái)。控制方程為三維可壓縮N-S方程，采用基于格點(diǎn)格式的有限體積方法進(jìn)行離散。對(duì)流通量采用Roe格式，通過(guò)加權(quán)最小二乘方法計(jì)算梯度構(gòu)造空間二階精度。時(shí)間推進(jìn)采用隱式牛頓方法，線性求解器使用靈活廣義最小殘差(Flexible Generalized Minimal RESidual, FGMRES)方法。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)一方程Spalart-Allmaras模型。采用該求解平臺(tái)對(duì)二維混合層流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在摻混區(qū)域預(yù)測(cè)的速度分布與對(duì)比結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性。

3 計(jì)算結(jié)果和討論

3.1 流量特性

風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流量隨背壓的變化如圖6(a)所示。在出口背壓Pout與風(fēng)扇外涵進(jìn)口總壓Pt1的比值等于0.85和0.9的工況下，基準(zhǔn)模型和射流摻混增強(qiáng)后的風(fēng)扇外涵流量相差并不大。隨著出口背壓的增加，兩組模型風(fēng)扇外涵的流量計(jì)算結(jié)果都開始下降，其中基準(zhǔn)模型的流量下降程度更明顯。從圖6(b)風(fēng)扇外涵流量占總流量百分比的變化中可以看到，在出口背壓大于風(fēng)扇外涵進(jìn)口總壓的情況下，采用波瓣混合器的射流摻混增強(qiáng)方法，風(fēng)扇外涵流量所占比例顯著地增加，最大可以提高13.7%。相對(duì)于風(fēng)扇外涵，CDFS外涵流量基本保持不變，且基準(zhǔn)模型和射流摻混增強(qiáng)后的預(yù)測(cè)結(jié)果也基本一致。這是因?yàn)镕VABI圓筒可調(diào)機(jī)構(gòu)向右伸出后，CDFS涵道出口面積減小，而該喉道面積決定了涵道流通能力。

(a) 風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流量變化 (a) Fan mass flow rate versus CDFS mass flow rate

(b) 風(fēng)扇外涵流量占總流量百分比變化 (b) Changes of the percentage of fan mass flow rate圖6 FVABI流量特性對(duì)比Fig.6 Comparison of mass flow rate characteristic

3.2 軸向速度分布

Pout/Pt1=1.0工況下，風(fēng)扇外涵和CDFS外涵氣流在摻混段不同沿程位置周向平均后得到的軸向速度對(duì)比如圖7所示。對(duì)于基準(zhǔn)模型，只有兩部分流體之間的自由剪切層存在速度梯度，摻混影響的范圍較小。而對(duì)于采用了射流摻混增強(qiáng)方法的模型，由于波瓣混合器的分隔作用，在同樣的半徑位置存在高速和低速兩股流體，所以距離FVABI調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)尾緣較近的x=250 mm位置，軸向平均速度從徑向距離0.43至0.45的范圍表現(xiàn)出了平均的效果。而在風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流體摻混已經(jīng)發(fā)生了一段距離的下游x=450 mm位置，與基準(zhǔn)模型計(jì)算結(jié)果相比，射流摻混增強(qiáng)后的上下兩部分流體周向平均后的軸向速度已經(jīng)趨近于一個(gè)比較均勻的狀態(tài)。

圖7 不同沿程位置軸向速度對(duì)比Fig.7 Comparison of axial velocity at different locations

Pout/Pt1=1.0工況下采用射流摻混增強(qiáng)的FVABI不同沿程位置軸向速度云圖如圖8所示。在靠近調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的x=250 mm位置，軸向速度的分布基本和波瓣混合器尾緣形狀一致，靠近壁面的區(qū)域受附面層影響速度較低。隨著風(fēng)扇外涵和

(a) x=250 mm (b) x=300 mm

(c) x=350 mm (d) x=400 mm

(e) x=450 mm (f) x=500 mm圖8 不同沿程位置軸向速度云圖Fig.8 Contours of axial velocity at different locations

CDFS外涵兩股流體摻混的發(fā)生，波瓣波峰位置附近的高速度流體逐漸向上壁面運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)一步擴(kuò)散發(fā)展成為蘑菇狀。到x=500 mm位置處，兩個(gè)波瓣波峰位置附近的高速流體摻混的影響范圍已經(jīng)交匯，并將波谷位置附近低速流體與風(fēng)扇外涵主流截?cái)唷?/p>

3.3 流向渦和正交渦

流向渦的識(shí)別采用無(wú)量綱后的軸向渦量，定義為：

(1)

其中， 0.001為出口邊界沿徑向?qū)挾萳除以風(fēng)扇外涵來(lái)流速度Uinlet1。

而正交渦的識(shí)別采用無(wú)量綱化后的周向渦量，定義為：

(2)

由于波瓣混合器上下擴(kuò)張角的作用，內(nèi)外涵氣流在波瓣貫穿區(qū)域形成由主流指向波瓣底部的徑向壓力梯度，如圖9所示。該壓力梯度將驅(qū)使風(fēng)扇外涵氣體沿徑向向內(nèi)流動(dòng)，而CDFS外涵氣體沿徑向向外流動(dòng)，形成徑向的二次流。當(dāng)風(fēng)扇外涵和CDFS外涵氣流到達(dá)波瓣尾緣后，由于兩股流體之間存在的速度差，以及沿徑向相反的二次流的作用下，會(huì)在下游的接觸面上形成一對(duì)具有相反旋轉(zhuǎn)方向的流向渦結(jié)構(gòu)。如圖10所示，該流向渦對(duì)的特征尺度與波瓣高度相當(dāng)，在向下游輸運(yùn)的過(guò)程中渦核逐漸向上壁面移動(dòng)，并不斷將周圍流體卷入其中，導(dǎo)致流動(dòng)摻混的影響范圍不斷擴(kuò)大。

圖9 波瓣尾緣壓力云圖(x=240 mm)Fig.9 Contour of pressure contour at trailing edge of lobed mixer (x=240 mm)

(a) x=250 mm (b) x=300 mm

(c) x=350 mm (d) x=400 mm圖10 不同沿程位置流向渦對(duì)比Fig.10 Comparison of stream-wise vorticity at different locations

而正交渦的產(chǎn)生主要源于風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流體之間的速度差，在黏性剪切力的作用下，沿著兩股氣流的接觸面生成并發(fā)展。如圖11所示，在靠近可調(diào)機(jī)構(gòu)的x=250 mm截面上，正交渦基本保持了和波瓣尾緣一致的形狀。而隨著向下游的輸運(yùn)發(fā)展，在流向渦的卷吸作用下，正交渦在上下流體摻混區(qū)域的結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)扭曲變形。正交渦的發(fā)展變化過(guò)程與之前分析的軸向速度分布云圖基本保持一致。

(a) x=250 mm (b) x=300 mm

(c) x=350 mm (d) x=400 mm圖11 不同沿程位置正交渦對(duì)比Fig.11 Comparison of span-wise vorticity at different locations

3.4 總壓損失

風(fēng)扇外涵和CDFS外涵的流體經(jīng)過(guò)FVABI摻混進(jìn)入變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)外涵后，其中一部分與主流進(jìn)一步摻混進(jìn)行加力燃燒，所以在FVABI部件流動(dòng)摻混中造成的總壓損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力有重要影響。對(duì)于沿程截面，采用質(zhì)量平均總壓計(jì)算總壓恢復(fù)系數(shù)，定義為：

(3)

其中，上標(biāo)mix表示摻混段截面流動(dòng)參數(shù)，而進(jìn)口截面流動(dòng)參數(shù)則通過(guò)風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量平均得到。

不同工況下沿程總壓損失系數(shù)對(duì)比如圖12所示。在Pout/Pt1不超過(guò)0.95的工況下，預(yù)測(cè)的總壓恢復(fù)系數(shù)基本在0.9左右，且隨著風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流體向下游輸運(yùn)和摻混有一定程度的下降，采用射流摻混增強(qiáng)后的預(yù)測(cè)結(jié)果略低于基準(zhǔn)模型，但相差并不大。隨著出口背壓的增加，風(fēng)扇外涵流量顯著地下降，所以進(jìn)口邊界計(jì)算得到的平均總壓不斷增加，導(dǎo)致進(jìn)入摻混段的流體總壓恢復(fù)系數(shù)不斷下降。采用射流摻混增強(qiáng)后的FVABI顯著改善了風(fēng)扇外涵的流通能力，減小了進(jìn)入摻混段之前的流動(dòng)損失。

圖12 不同工況下沿程總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)比Fig.12 Comparison of total pressure recovery coefficient between different operating points

4 結(jié)論

本文提出了一種采用射流摻混增強(qiáng)的FVABI設(shè)計(jì)方案，通過(guò)增加波瓣混合器結(jié)構(gòu)，以提高風(fēng)扇外涵和CDFS外涵流體的摻混效率。通過(guò)數(shù)值模擬的手段，同基準(zhǔn)模型進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1)相對(duì)于基準(zhǔn)模型，在較高出口背壓的工況下，采用射流摻混增強(qiáng)方法的FVABI設(shè)計(jì)方案顯著地增加了風(fēng)扇外涵的流通能力。風(fēng)扇外涵流量占總流量百分比最大提高了13.7%。

2)采用射流摻混增強(qiáng)的FVABI設(shè)計(jì)方案在較低出口背壓的工況下并沒有導(dǎo)致總壓恢復(fù)系數(shù)出現(xiàn)明顯的下降。而隨著背壓的增大，風(fēng)扇外涵流通能力的增強(qiáng)則會(huì)減小流動(dòng)損失。

3)通過(guò)摻混區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，大尺度的流向渦對(duì)是波瓣混合器提高摻混效率的關(guān)鍵，其特征尺度與波瓣高度相當(dāng)?？梢愿鶕?jù)FVABI的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化波瓣混合器的幾何輪廓，以滿足調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。