陳 佳，胡文兵，肖雙強，伍 鑫，岳定陽

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

變循環(huán)發(fā)動機具有寬廣的工作范圍、高單位推力及低油耗等特點，受到國內外科研人員及研究機構的重視。變循環(huán)本身要求發(fā)動機具有多個熱力循環(huán)方案，通過發(fā)動機涵道比、增壓比、渦輪前溫度以及流量等循環(huán)參數的變化，實現最優(yōu)的熱力循環(huán)狀態(tài)[1-2]。雙涵道變循環(huán)發(fā)動機通過變幾何機構的調節(jié)可以達到上述多個熱力循環(huán)要求，被認為是未來最有希望的高性能動力方案。前可變面積涵道引射器(FVABI)是實現雙涵道變循環(huán)發(fā)動機熱力循環(huán)模式改變的一個重要部件，可改變核心流道及外涵道的氣流流量分配。通過調節(jié)FVABI面積開關度來改變發(fā)動機涵道比[3-5]，與其他可調部件相配合，可使發(fā)動機具有大涵道比下低油耗和小涵道比下高單位推力的雙重優(yōu)勢。

早在上世紀60年代國外就開始了變循環(huán)發(fā)動機的研究，并取得一定成果[6]。其中最具有代表性的變循環(huán)發(fā)動機為GE公司提出的具有雙外涵變循環(huán)概念的F120發(fā)動機，也是第一臺經飛行試驗驗證的變循環(huán)發(fā)動機[7-9]。1971年美國驗證了雙涵道變循環(huán)發(fā)動機，較于G4/J5渦噴發(fā)動機，其超聲速巡航耗油率下降10%，亞聲速耗油率改善達到24%[10]。國內變循環(huán)發(fā)動機研究起步較晚，劉增文等[11]在常規(guī)雙軸渦扇發(fā)動機性能模擬程序基礎上，添加了模式選擇閥(MSV)、FVABI等部件模塊，進行了變循環(huán)發(fā)動機的數值計算。其研究表明，與設計參數相同的常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，變循環(huán)發(fā)動機模態(tài)轉換方案可行，可有效提高發(fā)動機在部分推力時的空氣流量，其耗油率明顯降低。劉洪波等[12]以一渦扇發(fā)動機總體結構為基礎，設計了模式轉換及結構方案，對FVABI進行了運動仿真及有限元分析，從結構運動與強度方面確定了變循環(huán)方案的可行性。張榮等[13]基于渦扇發(fā)動機平臺，制定了變循環(huán)發(fā)動機的調節(jié)方式，并對亞聲速巡航與超聲速巡航兩種典型工況之間轉換過程進行了數值仿真，結果表明所提出的調節(jié)方式能實現渦噴與渦扇工作模式的平穩(wěn)轉換。王靖宇等[14]通過比較基準圓筒型調節(jié)與帶波瓣型調節(jié)機構的混合器性能，發(fā)現波瓣結構混合器總壓損失小、外涵流通能力增強，但其密封結構復雜；同時還給出了特征渦對混合效率的影響規(guī)律。根據國內外公開報道，針對變循環(huán)發(fā)動機的研究主要集中在整機初步性能模擬計算、總體結構方案設計以及波瓣混合器研發(fā)，對于MSV及直推式FVABI等可調部件的氣動與試驗研究則較少，尤其缺乏對直推式FVABI引射特性及摻混過程機理性研究。因此，開展直推式FVABI氣動機理研究是一項很有意義和前瞻性的工作，有望為變循環(huán)發(fā)動機可調部件的發(fā)展提供理論基礎和知識儲備。

本文采用三維數值模擬方法，在不同進口壓比條件下，研究了面積比對FVABI流動損失、引射性能及摻混流場結構的影響，可為后續(xù)變循環(huán)發(fā)動機可調部件設計和改進提供理論參考。

2 數值研究

2.1 計算模型及網格結構

圖1 FVABI試驗幾何模型Fig.1 Experimental geometry model of FVABI

圖1為FVABI試驗幾何模型示意圖。模型總長度L約2 m，由導流環(huán)、內涵進氣機匣、內涵進氣錐段、外涵支撐機匣、混合段機匣、后支撐機匣、排氣錐、排氣機匣及作動筒相關調節(jié)機構等組成。圖中：S、S0分別為FVABI可變面積調節(jié)閥的開度和最大開度分別為垂直氣流方向的可變和最大有效流通面積。0表示主流進口處壁面靜壓測點，1～11表示混合段外涵機匣外壁面靜壓測點；First flow與Second flow分別表示內、外涵通道，對應FVABI計算模型的主、次流；Out表示FVABI主、次流混合流道出口。通過調節(jié)開度改變AS大小控制外涵流量可實現涵道比的調節(jié)，下文采用面積比表示FVABI面積開度調節(jié)。

針對軸對稱FVABI，取1/4幾何模型進行三維數值模擬。網格劃分采用ICEM分塊方法，全部為結構化網格。近壁面附近對網格加密處理，使y+值滿足湍流模型的要求。由于混合段剪切層內速度梯度較大，對混合段網格進行局部加密處理。經網格無關性驗證，最終確定FVABI模型計算網格數量約為320萬，計算區(qū)域及網格分布見圖2。圖中，pts、Tts分別表示次流進口總壓、總溫；ptp、Ttp分別表示主流進口總壓、總溫；pb表示主、次流混合段出口背壓。

圖2 CFD數值模擬網格Fig.2 CFD simulation grid

2.2 邊界條件設置

次流與主流進口分別對應風扇、核心機驅動風扇(CDFS)出口，計算域進口采用壓力進口邊界條件，給定進口總溫、總壓；計算域出口采用壓力出口邊界條件，給定出口平均靜壓。所有壁面為無滑移、絕熱固壁邊界條件，周向設置為旋轉周期性邊界條件。計算工況為：給定背壓pb/pts為0.93；進口壓比ptp/pts為1.5、1.3和1.2；面積比為0.20、0.40、0.56、0.80及1.00。pts給定為當地大氣壓，表1給出了具體的邊界條件設置。

表1 邊界條件設置Table 1 Boundary condition setting

2.3 湍流模型及驗證

圖3 外涵壁面靜壓分布數值模擬結果與試驗值的對比Fig.3 Comparison of static pressure distribution between experiment and simulation

3 結果分析

3.1 FVABI流動損失分析

FVABI產生的氣流總壓損失將直接影響發(fā)動機的最終性能。為此，在保證流量的條件下對其總壓損失及變化規(guī)律進行研究。本文總壓恢復系數采用截面質量平均總壓參數計算，其具體定義為：

式中：σ為FVABI總壓恢復系數，分別表示混合段主、次混合流量和混合總壓，表示進口折合流量，p*in表示主、次流進口總壓。圖4給出了不同進口壓比下FVABI出口總壓恢復系數隨面積比的變化規(guī)律。從圖中可知，當面積比不變時，出口總壓恢復系數隨進口壓比的增大而減小。這是由于FVABI總壓損失主要由摻混損失和摩擦損失組成，當進口壓比增大，進口速度與混合速度差值增大，使得摻混損失和摩擦損失增加所致。此外，進口壓比1.3與1.5之間的總壓恢復系數變化量Δσ約為進口壓比1.2與1.3之間的2倍，表明出口總壓恢復系數與進口壓比成線性變化關系。當進口壓比不變時，出口總壓恢復系數隨面積比增大而逐漸減小，這主要是因為面積調節(jié)閥門打開，主流的高能流體增加，摻混損失增大所致。實際變循環(huán)過程中，同一背壓條件下，改變面積比代表了發(fā)動機涵道比的變化。不同進口壓比下，FVABI調節(jié)閥門全開時存在最小總壓恢復系數。

圖4 FVABI出口總壓恢復系數隨面積比的變化Fig.4 Total pressure recovery coefficient of FVABI with different area ratio

圖5 不同面積比沿順氣流方向各截面總壓恢復系數的變化(pb/pts=0.93)Fig.5 Total pressure recovery coefficient along flowing cross plane under different area ratio

圖5給出了背壓0.93時，不同進口壓比條件下FVABI順氣流方向不同截面處的總壓恢復系數隨面積比的變化?？梢姡槡饬鞣较蚋鹘孛嫣幙倝夯謴拖禂抵饾u減小，但減小的速率逐漸變緩。由于在摻混初始階段主、次流速度差最大，主、次流動量交換過程中能量耗散較快，導致在初始摻混過程中總壓恢復系數下降較快；但在黏性力作用下，主、次流速度差逐漸減小，摻混逐漸均勻，氣流總能量耗散相對減緩，使得順氣流方向各截面總壓損失增加的速率有所降低，總壓損失系數下降平緩。此外，由圖還可看出，進口壓比越低總壓恢復系數越大，且順氣流方向變化平緩。摻混截面x/L=0.28～0.46之間為主要摻混區(qū)域，總壓損失急劇增加，且進口壓比越大順氣流方向總壓恢復系數曲線斜率越大。當截面位置x L大于0.46后，沿順氣流方向的總壓恢復系數與面積比成反比。這是由于面積比越小主流進入外涵的空氣流量越少，摻混損失降低，截面總壓恢復系數增大。當進口壓比為1.2時，面積比0.80與1.00相比，沿程總壓恢復系數變化曲線基本重合；當進口壓比不同時，面積比0.40與0.56相比，同樣存在這種現象。這表明在一定面積比范圍內，總壓恢復系數對面積比變化敏感度較低。

3.2 FVABI引射性能分析

圖6、圖7分別示出了不同進口壓比時主、次流流量隨面積比的變化?？煽闯?，主流流量隨面積比增大而增加；進口壓比越大主流流量曲線斜率越大；面積比增加，不同進口壓比之間的流量差值增大。次流流量隨面積比增大而減少，且面積比減小時次流流量曲線斜率逐漸減小。進口壓比為1.5時，面積比從0.40減小到0.20過程中，次流流量基本保持不變，但主流流量持續(xù)減少。這表明隨著面積比減小，次流達到扼流狀態(tài)，而進口壓比越大達到扼流狀態(tài)時相應的面積比越大。

圖6 主流流量隨面積比的變化Fig.6 Main flow mass with different area ratio

圖7 次流流量隨面積比的變化Fig.7 Secondary flow mass with different area ratio

引射系數B是評估FVABI引射能力的主要參數，決定了變循環(huán)發(fā)動機涵道比的變化特性。圖8示出了不同進口壓比下FVABI引射系數隨面積比的變化。如圖所示，隨面積比增大，不同進口壓比下引射系數均減小。這是由于面積比增大，主流流量增加，次流流量減小，面積比越小，進口壓比對引射能力的影響越大。在相同面積比下，進口壓比越小，引射系數越大，主流對次流的引射作用越強。

圖8 FVABI引射系數隨面積比的變化Fig.8 Ejector coefficient of FVABI with different area ratio

3.3 FVABI計算流場分析

圖9給出了進口壓比1.3時，不同面積比下順氣流方向流道外壁面的靜壓分布。在摻混段進口處，主流將壓力能轉化為動能，主流靜壓低于次流總壓，次流入口段氣流受到抽吸作用速度增加，壁面靜壓急劇減小；隨著面積比減小，主流高能流體流量減少，動量交換帶動次流加速性減弱，對應摻混中心位置處靜壓升高，如圖中=0.30處靜壓隨面積比變化所示。進入摻混段后，主、次流之間在黏性力作用下進行能量、動量及質量摻混，氣流摻混后速度趨于均勻，壓力能逐漸恢復，使得混合區(qū)域靜壓逐步提升。面積比越小恢復到穩(wěn)定靜壓的距離越短，面積比為0.20時在=0.48處靜壓已恢復。此外，由于出口處存在支撐板，使得流通面積減小，氣流速度增大，靜壓略有降低。

圖9 不同面積比下順氣流方向流道外壁面的靜壓分布(ptp/pts=1.3)Fig.9 Static pressure distribution along flowing cross plane under different area ratio

圖10 不同面積比下順流向各截面的馬赫數云圖(pb/pts=0.93，ptp/pts=1.3)Fig.10 Mach number distribution along flowing cross plane under different area ratio

圖10示出了背壓0.93、進口壓比1.3時，不同面積比下順氣流方向各截面的馬赫數分布。從圖中可看出，面積比越大收縮型主流道速度越大，可調閥門全開時主流道最大馬赫數為0.86；隨著閥門關閉面積比減小，主流流量減少、速度降低。在主、次流摻混位置之前，隨面積比減小，次流速度增加；在主、次流摻混位置后，隨面積比減小，次流速度減小。主、次流在摻混段存在明顯的速度摻混界面，面積比減小過程中，速度摻混界面越小、越靠近流道內壁，摻混影響區(qū)域也逐漸減小，馬赫數在摻混作用下恢復均勻速度較快，速度摻混界面逐漸消失。因此，調節(jié)過程中，面積比減小，出口總壓恢復系數逐漸增加，與圖4中所示結果一致。

圖11 不同面積比下摻混段速度沿徑向分布曲線(ptp/pts=1.3)Fig.11 Radial distribution of velocity under different area ratio at mixing section

圖11示出了進口壓比1.3，面積比0.20、0.56及1.00時，順氣流方向x/L=0.27截面處的速度徑向分布。圖中：h為摻混流道沿徑向總高度，r為任意摻混流道高度位置，虛線之間為摻混層厚度。不同面積比下，在摻混段靠近主流出口處，由于壓力能轉換為動能，速度急劇增加；流體黏性作用使快層流體團進入慢層傳遞動量使得慢層加速，反之慢層流體團阻滯使得快層減速。隨著主、次流在摻混段混合，主流將能量沿徑向傳遞給次流，使摻混層上部次流逐漸趨于均勻流動，面積比分別為1.00、0.56、0.20時，摻混層厚度相應為0.16h、0.10h、0.08h，逐漸減?。煌瑫r，摻混下邊界靠近內流道壁面，與壁面距離由0.30h減小到0.07h，符合圖10馬赫數云圖中主、次流沿順氣流方向摻混的變化趨勢。據此可得出，面積比對摻混層位置及摻混區(qū)域大小存在很大影響。

4 結論

(1) 隨FVABI面積比增大，主、次流之間的摻混損失、摩擦損失增加，FVABI總壓恢復系數減小。

(2) 隨FVABI面積比減小，次流將達到扼流狀態(tài)，進口壓比越大，達到扼流狀態(tài)時相應的面積比越大。

(3) 背壓為0.93時，不同進口壓比下，當截面位置x/L大于0.46后，沿順氣流方向的總壓恢復系數與面積比成反比，且在一定面積比范圍內，總壓恢復系數對面積比變化敏感度較低。

(4) 在順氣流方向x/L=0.27摻混段處，面積比由大到小調節(jié)過程中，摻混層厚度范圍逐漸減小，同時，摻混層位置逐漸靠近內壁面，摻混區(qū)域減小。