趙海剛, 任丁丁, 王俊琦

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司, 中國飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所, 西安 710089)

近代高性能戰(zhàn)斗機(jī)通常采用短S形的進(jìn)氣道，因此在高機(jī)動(dòng)、大攻角、大側(cè)滑角的飛行下必然會(huì)在進(jìn)氣道出口產(chǎn)生較強(qiáng)的旋流畸變，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能和穩(wěn)定性下降[1-2]，出現(xiàn)喘振和強(qiáng)迫葉片振動(dòng)之類嚴(yán)重的進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)流場匹配品質(zhì)問題，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車[3-4]。因此，旋流畸變及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響的研究已經(jīng)成為近代戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)及試飛定型中的關(guān)鍵方面，也是中外學(xué)者高度重視的研究課題之一[5-8]。20世紀(jì)80年代,美國Tornado(狂風(fēng))戰(zhàn)斗機(jī)原型機(jī)在試飛過程中，進(jìn)氣道旋流畸變引起左、右發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振，隨后在F/A-18“大黃蜂”艦載飛機(jī)、“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈、A320的輔助動(dòng)力裝置上再次驗(yàn)證了旋流畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的危害?；谏鲜鲈?，美國研究人員針對(duì)旋流畸變發(fā)生的機(jī)理、抑制與消除方法及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性和性能的影響進(jìn)行了大量的研究[9-11]，并最終在F/A-18飛機(jī)進(jìn)氣道的一彎處布置了數(shù)個(gè)渦流發(fā)生器，成功消除了旋流畸變，并在研究的基礎(chǔ)上，完成了“進(jìn)氣道旋流畸變?cè)u(píng)定方法”的編制。Sheoran等[12-13]提出一種腔室旋流畸變發(fā)生器，通過簡單改變腔體外形，即可產(chǎn)生五種不同形式的旋流畸變。中國在進(jìn)氣道旋流畸變研究方面，成都飛機(jī)設(shè)計(jì)所的郭榮偉等[14]根據(jù)模擬壓力畸變系數(shù)DC60建立了旋流畸變指數(shù)。南京航空航天大學(xué)的彭成一教授等[15]提出了旋流測量方案和旋流評(píng)價(jià)指標(biāo)，用整體渦強(qiáng)度、整體渦指數(shù)、對(duì)渦強(qiáng)度、對(duì)渦指數(shù)這四個(gè)參數(shù)在試飛中對(duì)旋流進(jìn)行評(píng)定，宋國興等[16]研究了葉片式旋流畸變發(fā)生器產(chǎn)生旋流流場的機(jī)理和旋流畸變對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性的影響機(jī)制，田洋陽等[17]對(duì)氣動(dòng)法導(dǎo)葉的旋流器和幾何法導(dǎo)葉的旋流器的內(nèi)流場進(jìn)行了模擬對(duì)此，指出氣動(dòng)法導(dǎo)葉的旋流器更有應(yīng)用前景；劉華等[18]設(shè)計(jì)了一種葉片式旋流畸變發(fā)生器，用以研究進(jìn)氣旋流畸變對(duì)軸流壓氣機(jī)失速發(fā)展過程的影響；張磊等[19]提出了一種根據(jù)目標(biāo)旋流場設(shè)置旋流畸變網(wǎng)的轉(zhuǎn)向葉片和支撐結(jié)構(gòu)的葉片式旋流畸變網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步研究了旋流畸變對(duì)壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響。

面對(duì)新一代飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)定型，進(jìn)氣道旋流畸變測量及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和穩(wěn)定性的影響是進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)相容性試驗(yàn)中必不可少的項(xiàng)目?，F(xiàn)首次提出飛行試驗(yàn)中可行的旋流測試方案和評(píng)價(jià)指標(biāo)，研制葉片式旋流發(fā)生器和五孔探針，通過地面旋流試驗(yàn)建立起工程實(shí)際中可靠的旋流模擬、測量方法和數(shù)據(jù)處理方法，驗(yàn)證該旋流評(píng)定體系和旋流模擬方法的有效性。可為后續(xù)型號(hào)進(jìn)氣道旋流畸變?cè)囷w研究提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1 試驗(yàn)裝置方案及試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在中國飛行試驗(yàn)研究院某發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)進(jìn)行。如圖1所示，整個(gè)試驗(yàn)裝置由進(jìn)氣道整流罩、喇叭型進(jìn)口、旋流試驗(yàn)段(含旋流發(fā)生段、旋流發(fā)展段和旋流測量段)、試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)組成。

圖1 旋流試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Sketch of test system for swirl

圖2為試驗(yàn)系統(tǒng)圖，試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣道出口的抽吸作用下，外界常溫常壓空氣先通過整流罩進(jìn)入雙螺線喇叭形進(jìn)口，流過不同安裝角和安裝布局葉片式旋流模擬器，在葉片繞流的作用下產(chǎn)生葉尖尾跡渦，尾跡渦流過旋流發(fā)展段后，形成較強(qiáng)的漩渦氣流，試驗(yàn)段測量位置同一截面等角度安裝8支五孔探針，測量旋流相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而通過計(jì)算分析和評(píng)估旋流結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度。

圖2 旋流試驗(yàn)裝置Fig.2 Photograph of test setup for swirl

試驗(yàn)來流馬赫數(shù)Ma在0.1～0.4調(diào)節(jié)，進(jìn)氣道內(nèi)徑為680 mm。旋流發(fā)展段為1.3倍內(nèi)徑。地面旋流模擬試驗(yàn)主要為葉片轉(zhuǎn)折角、來流馬赫數(shù)對(duì)旋流強(qiáng)度影響的研究和葉片布置方式對(duì)旋流結(jié)構(gòu)的影響研究，同時(shí)驗(yàn)證旋流模擬、測試方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性。試驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

表1 旋流試驗(yàn)項(xiàng)目列表Table 1 Items of test for swirl

1.2 旋流模擬器

試驗(yàn)采用了葉片式旋流模擬器。葉型為NACA65標(biāo)準(zhǔn)厚度分布，葉高110 mm,葉片轉(zhuǎn)折角為5°、10°、15°、20°。圖3、圖4分別為葉片式旋流發(fā)生器及其在試驗(yàn)進(jìn)氣道內(nèi)的安裝圖。

圖3 葉片式旋流發(fā)生器Fig.3 The swirl generator of the blade

圖4 葉片式旋流發(fā)生器安裝圖Fig.4 Photograph of the swirl generator blade installed

1.3 試驗(yàn)測量系統(tǒng)

試驗(yàn)在進(jìn)氣道測量段同一截面等角度安裝8支五孔探針，探針探頭距進(jìn)氣道圓心距離為296 mm(約等于0.87R,R為進(jìn)氣道半徑)。通過測量進(jìn)氣道出口0.87R處的切向氣流角τ87，進(jìn)而計(jì)算出整體渦旋流強(qiáng)度、整體渦旋流指數(shù)、對(duì)渦旋流強(qiáng)度、對(duì)渦旋流指數(shù)等指標(biāo)來評(píng)估旋流畸變的強(qiáng)度。所采用的旋流強(qiáng)度指標(biāo)定義如下。

對(duì)渦強(qiáng)度：τ87s=(τ87imax-τ87imin)/2

對(duì)渦指數(shù)：SCT=(τ87imax-τ87imin)/2|τ87imax|

8支五孔探針在進(jìn)氣道測量段安裝角度位置(五孔探針位置角度以進(jìn)氣道探針安裝截面的頂點(diǎn)為起始點(diǎn)，按順航向逆時(shí)針方向?yàn)檎?如表2所示。試驗(yàn)使用的五孔探針均在抽吸式風(fēng)洞中進(jìn)行了變馬赫數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定來流馬赫數(shù)Ma=0.2～0.5，俯仰角α和側(cè)滑角β標(biāo)定范圍為：-25°≤α≤25°、-25°≤β≤25°(間隔5°進(jìn)行)。探針安裝圖如圖5、圖6所示。

表2 五孔探針在進(jìn)氣道出口安裝角度位置Table 2 The angle of five-hole probes installed at the inlet

圖5 五孔探針整體安裝圖Fig.5 Overall installation photograph of five-hole probes

1.4 數(shù)值計(jì)算方法

圖7是根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)氣道實(shí)際尺寸建立的三維數(shù)值幾何模型，建模時(shí)將進(jìn)氣道出口向后延長5 m以確保計(jì)算出口氣流穩(wěn)定及計(jì)算的收斂。

進(jìn)出口邊界條件采用壓力進(jìn)口和壓力出口，計(jì)算溫度為測量試驗(yàn)環(huán)境溫度。

采用標(biāo)準(zhǔn)RNGκ-ε湍流模型、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和SIMPLE算法，來計(jì)算進(jìn)氣道內(nèi)部旋流特性。

2 試驗(yàn)測量與數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 整體渦試驗(yàn)測量與數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

圖8為整體渦旋流模擬葉片布置方式，在進(jìn)氣道進(jìn)口均勻布置6個(gè)旋流葉片，葉片轉(zhuǎn)折角分別為0°(不安裝旋流葉片)、5°、10°、15°、20°，Ma分別為0.25、0.3、0.35、0.4(20°時(shí)Ma=0.2～0.35)，共進(jìn)行了20個(gè)狀態(tài)整體渦旋流模擬。圖9、圖10(a)給出葉片轉(zhuǎn)折角為20°、Ma=0.35的整體渦旋流數(shù)值模擬靜壓云圖和速度矢量圖。可以看出，模擬出的旋流流場呈大的整體渦含6個(gè)局部小渦的形式，且小渦與低壓區(qū)一一對(duì)應(yīng)。原因在于葉片式旋流發(fā)生器是利用葉尖尾跡渦的相互作用來模擬旋流的，而一個(gè)葉片只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尾跡渦，尾跡渦的相互作用產(chǎn)生了整體渦，每個(gè)葉片的尾跡渦又在一定范圍內(nèi)相對(duì)獨(dú)立存在。圖10(b)為此工況下0.87R處速度矢量試驗(yàn)測量結(jié)果，可見試驗(yàn)測量結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致性較好，也說明精確的數(shù)值計(jì)算能夠模擬出對(duì)稱渦的旋流特征。

圖8 整體渦模擬的葉片布置方式Fig.8 Blades distribution for simulating bulk swirl

圖9 整體旋流渦靜壓云圖Fig.9 Static pressure contour of bulk swirl

圖10 整體渦旋流速度矢量圖Fig.10 Swirl vector of generated bulk swirl

圖11 整體渦強(qiáng)度隨葉片轉(zhuǎn)折角和馬赫數(shù)的變化Fig.11 Intensity of bulk swirl vs blade angle of attack and mach number

表3是葉片轉(zhuǎn)折角為20°，各馬赫數(shù)下整體旋流渦試驗(yàn)測量和部分?jǐn)?shù)值計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，整體渦強(qiáng)度指數(shù)SCB接近1，對(duì)渦強(qiáng)度指數(shù)SCT接近0，說明模擬出的旋流為典型的整體渦。

對(duì)比數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的整體渦指數(shù)明顯高于試驗(yàn)結(jié)果，而對(duì)渦指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于試驗(yàn)結(jié)果，說明數(shù)值結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果在整體渦結(jié)構(gòu)更顯著，原因在于試驗(yàn)本身受各個(gè)探針加工、標(biāo)定精度的差異，以及安裝誤差等因素限制，測量結(jié)果有一定的誤差。

表3 整體渦模擬結(jié)果

2.2 對(duì)渦試驗(yàn)測量與數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

如圖12所示，對(duì)渦旋流模擬葉片布置方式為：在進(jìn)氣道進(jìn)口同一截面布置2組各3個(gè)旋流葉片，葉片轉(zhuǎn)折角為20°，但轉(zhuǎn)折角方向相反，兩組旋流葉片安裝對(duì)稱線逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)20°(逆航向)。在葉片轉(zhuǎn)折角不變的情況下，模擬時(shí)調(diào)節(jié)來流Ma，Ma分別為0.20、0.25、0.3、0.35，共4個(gè)狀態(tài)。以葉片轉(zhuǎn)折角為20°，來流Ma為0.35時(shí)的對(duì)渦作為典型算例來分析對(duì)渦旋流特性。圖13為對(duì)渦旋流數(shù)值模擬和試驗(yàn)測量的速度矢量圖，從圖13(a)可看出，整個(gè)渦是由左右兩個(gè)大渦組成，每個(gè)大渦中又有兩個(gè)明顯的小旋流渦?？梢钥闯龃鬁u的中心對(duì)稱線偏轉(zhuǎn)角度與葉片布置對(duì)稱線一致。在進(jìn)氣道進(jìn)口葉片安裝截面160°和220°的兩個(gè)相鄰旋流葉片轉(zhuǎn)折角方向相反，進(jìn)而各自產(chǎn)生的尾跡渦方向相反，因?yàn)榱鲃?dòng)干涉而相互抵消，因此，在整個(gè)速度矢量圖上只有四個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小尾跡渦。對(duì)比圖13(b)可知，數(shù)值模擬與試驗(yàn)測量在0.87R處的速度矢量基本一致。

表4是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的對(duì)渦強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以看出，結(jié)果中整體渦指數(shù)SCB趨近于0，對(duì)渦強(qiáng)度指數(shù)SCT趨近于1，也反映出旋流為典型的對(duì)渦結(jié)構(gòu)。Ma=0.35時(shí)數(shù)值模擬和試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果一致性較好，從指數(shù)結(jié)果中可以看出，數(shù)值結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果對(duì)渦結(jié)構(gòu)愈顯著。

圖12 對(duì)渦模擬的葉片布置方式Fig.12 Blades distribution for simulating twin swirl

圖13 對(duì)渦旋流速度矢量圖Fig.13 Swirl vector of generated twin swirl

表4 對(duì)渦強(qiáng)度指標(biāo)結(jié)算結(jié)果Table 4 Twin swirl simulation results

2.3 局部渦試驗(yàn)測量與數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

如圖14所示，局部渦旋流模擬葉片布置方式為：在進(jìn)氣道進(jìn)口同一截面右半邊均布4個(gè)旋流葉片，葉片轉(zhuǎn)折角為20°，轉(zhuǎn)折角方向一致。在葉片轉(zhuǎn)折角不變的情況下，模擬時(shí)調(diào)節(jié)來流Ma=0.20、0.25、0.3、0.35，共4個(gè)狀態(tài)。同樣以葉片轉(zhuǎn)折角為20°，來流Ma=0.35時(shí)的局部渦作為典型算例來分析局部渦旋流特性。圖15為局部渦旋流數(shù)值模擬和試驗(yàn)測量的速度矢量圖，從圖15(a)中可以看出，整個(gè)渦是由一個(gè)渦心偏右的大渦含4個(gè)小渦組成。大渦的渦心處于整個(gè)截面的右側(cè)，和局部渦旋流葉片布局結(jié)構(gòu)一致。從圖15(b)中明顯看出，0.87R處的速度矢量大小明顯高于左側(cè)，得知右側(cè)切向速度較左側(cè)高，所以切向氣流角τ87較大。對(duì)比可知，數(shù)值模擬與試驗(yàn)測量在0.87R處的速度矢量基本一致。從表5中可以看出，無論是數(shù)值計(jì)算結(jié)果還是試驗(yàn)結(jié)果，SCB和SCT均為0.5左右，說明流場介于整體渦旋流和對(duì)渦旋流之間，是典型的局部渦旋流。

圖14 局部渦模擬的葉片布置方式Fig.14 Blades distribution for simulating local swirl

圖15 局部渦旋流速度矢量圖Fig.15 Swirl vector of generated local swirl

表5 局部渦模擬結(jié)果Table 5 Local swirl simulation results

3 結(jié)論

(1) 來流馬赫數(shù)對(duì)旋流渦強(qiáng)度影響不大，旋流發(fā)生器葉片轉(zhuǎn)折角對(duì)旋流渦強(qiáng)度有一定的影響。

(2) 研制的旋流發(fā)生器可模擬出不同渦結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的旋流畸變，其中整體渦強(qiáng)度可達(dá)17°。

(3)采用的旋流測量方法可行且精度較高，旋流評(píng)定指標(biāo)合理可行，能夠較為直觀地反映出旋流流場的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。

(4)提出的旋流測量方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)可應(yīng)用于后續(xù)型號(hào)的進(jìn)氣道旋流畸變?cè)囷w研究中去。