汪 才,艾延廷,朱建勇,張 巍,林 山,喬 黎
(1.沈陽航空航天大學(xué),沈陽 110136;2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽 110015)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)在地面露天試車臺試車期間常會受到側(cè)風(fēng)影響,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定,影響發(fā)動(dòng)機(jī)推力測量和性能評定。發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的兼容性[1-3]。自然空間中的強(qiáng)側(cè)風(fēng)可能會造成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流畸變,導(dǎo)致壓氣機(jī)工作不穩(wěn)定甚至喘振。因此,有必要進(jìn)行側(cè)風(fēng)試驗(yàn)研究,以獲得不同風(fēng)向及風(fēng)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)和進(jìn)氣道的流動(dòng)特性,同時(shí)確定發(fā)動(dòng)機(jī)地面工作側(cè)風(fēng)邊界,進(jìn)而優(yōu)化進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的兼容性,并為飛機(jī)在側(cè)風(fēng)條件下的安全運(yùn)行提供保障[4-6]。
截至目前,國外就側(cè)風(fēng)對露天試車臺的影響做了大量的試驗(yàn)和研究工作。英國R·R 公司、美國P&W 公司和美國GE 公司各自建造了風(fēng)速可達(dá)30 m/s、空氣流量可達(dá)2 000 kg/s 的大型側(cè)風(fēng)風(fēng)源設(shè)備。其中,R·R公司和P&W公司設(shè)計(jì)了全方位的風(fēng)源設(shè)備,分析了各個(gè)角度對發(fā)動(dòng)機(jī)形成的側(cè)風(fēng)條件對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣畸變的影響[7];GE 公司設(shè)計(jì)了從0°、45°、90°三個(gè)方位進(jìn)行側(cè)風(fēng)試驗(yàn)的風(fēng)源設(shè)備,給出了發(fā)動(dòng)機(jī)若能順利通過這三個(gè)方向的側(cè)風(fēng)試驗(yàn),則其他方向的側(cè)風(fēng)試驗(yàn)都能通過的結(jié)論。Tourrette 等[8]發(fā)展了一套數(shù)值求解Navier-Stokes方程的軟件,并通過與試驗(yàn)結(jié)果對比,驗(yàn)證了數(shù)值方法和湍流模型的可靠性;Brix等[9]開展了側(cè)風(fēng)條件下由于短艙進(jìn)氣道的吸入作用產(chǎn)生地面渦的風(fēng)洞試驗(yàn)研究;Trapp等[10]就側(cè)風(fēng)條件下飛機(jī)起飛時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)氣道渦流對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場的影響進(jìn)行了分析與研究。相比之下,國內(nèi)對航空發(fā)動(dòng)機(jī)露天試驗(yàn)臺側(cè)風(fēng)影響研究起步較晚,目前的側(cè)風(fēng)試驗(yàn)主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口安裝多點(diǎn)壓力測頭,來測量有無側(cè)風(fēng)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力場的變化。劉永泉等[11]通過仿真流場壓力分布模擬了某型發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣畸變;李志平等[12]研究了發(fā)動(dòng)機(jī)受進(jìn)氣畸變導(dǎo)致其工作穩(wěn)定性變化的規(guī)律;劉浩等[13]采用數(shù)值模擬方法,研究了側(cè)風(fēng)來流條件對地面渦形成和發(fā)展的影響;王寶坤等[14]提出了風(fēng)速標(biāo)定方法和開展側(cè)風(fēng)試驗(yàn)的程序,給出了側(cè)風(fēng)裝置工作狀態(tài)與試驗(yàn)所需風(fēng)速之間的映射關(guān)系。由于露天試車臺側(cè)風(fēng)模擬的復(fù)雜性和有效性,我國對側(cè)風(fēng)模擬裝置試驗(yàn)的研究深度仍有待提高。
本文基于流體力學(xué)理論,運(yùn)用ANSYS Workbench 對側(cè)風(fēng)裝置試驗(yàn)過程進(jìn)行仿真,研究露天試車臺側(cè)風(fēng)裝置內(nèi)部流場和下游出口處的壓力、流量、速度的分布及演化規(guī)律。此外,采用Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得了風(fēng)機(jī)壓力與流量的對應(yīng)關(guān)系,揭示了側(cè)風(fēng)裝置中風(fēng)機(jī)使用數(shù)量對流場穩(wěn)定性的影響。
在本文側(cè)風(fēng)數(shù)值模擬穩(wěn)態(tài)計(jì)算工況下,需要同時(shí)滿足的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量方程,各方程的詳細(xì)推導(dǎo)過程可參考文獻(xiàn)[15]。
(1) 質(zhì)量守恒方程
式中:ρ為氣流密度,u,v,ω分別為x、y、z方向的速度分量。
(2) 動(dòng)量守恒方程
x、y、z三個(gè)方向的動(dòng)量守恒方程為:
式中:p為微元體壓力,τxx、τxy、τxz分別為因黏性作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力分量,F(xiàn)x、Fy、Fz分別為微元體上的體力。
對于牛頓流體,黏性應(yīng)力與流體的變形率成比例,有:
式中:μ為動(dòng)力黏度;λ為第二黏度,一般取-。
將(3)式代入(2)式得,
式中:Su、Sv、Sw為動(dòng)量方程廣義源項(xiàng),其中Su=Fx+sx,Sv=Fy+sy,Sw=Fz+sz。
上式中sx、sy、sz的表達(dá)式如下:
一般來講sx、sy、sz是小量,對于黏性為常數(shù)的不可壓流體,sx=sy=sz=0。
(3) 能量守恒方程
式中:e為物體內(nèi)能,T為溫度,q為熱流量,k為熱傳導(dǎo)系數(shù)。
不同露天試車臺所使用的側(cè)風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)不盡相同,側(cè)風(fēng)裝置的模擬風(fēng)源可以由一臺渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在減速裝置作用下連帶的一組飛機(jī)螺旋槳組成,也可以由安裝在風(fēng)源筒體同一平面上的電機(jī)風(fēng)扇組組成。本文的側(cè)風(fēng)裝置模型參照了美國GE公司的發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)裝置,如圖1所示。
圖1 美國GE公司的發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)裝置Fig.1 Aero-engine crosswind device of GE company in American
對發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)裝置進(jìn)行合理簡化,省略無關(guān)部分,得到如圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)裝置模型。裝置全長91 500 mm,寬30 000 mm,高18 890 mm。其中前端進(jìn)氣部分長13 000 mm,試驗(yàn)段殼體長67 840 mm。風(fēng)源部分由19 個(gè)風(fēng)筒及安裝在其內(nèi)部的電機(jī)風(fēng)扇組組成,風(fēng)筒長5 660 mm,風(fēng)筒前端進(jìn)氣口直徑1 800 mm,尾部出氣口直徑2 160 mm,風(fēng)扇組的排列方式如圖3所示。風(fēng)扇模型是在沒有真實(shí)模擬風(fēng)扇的三維模型條件下的簡化,為無厚度平面,通過設(shè)置經(jīng)過該平面的壓力增量近似模擬風(fēng)扇的增壓效果。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)裝置模型Fig.2 Model of engine crosswind device
圖3 風(fēng)扇排列方式及編號Fig.3 Fan arrangement and number
在側(cè)風(fēng)裝置前10 倍動(dòng)力段距離和側(cè)風(fēng)裝置后30倍動(dòng)力段距離處建立延伸段,以便能更好地觀察氣流流出下游出口之后的跡線,如圖4 所示。為提高側(cè)風(fēng)模擬計(jì)算精度,分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,同時(shí)經(jīng)數(shù)值仿真對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證,網(wǎng)格如圖5 所示。風(fēng)源筒體及計(jì)算域網(wǎng)格適當(dāng)加密,網(wǎng)格數(shù)量140萬。風(fēng)扇動(dòng)力段網(wǎng)格數(shù)量50萬,如圖6所示。
圖4 完整流場網(wǎng)格Fig.4 Complete flow field grid
圖5 風(fēng)源筒體及計(jì)算域網(wǎng)格Fig.5 Fan barrel and computational domain grid
圖6 風(fēng)扇動(dòng)力段網(wǎng)格Fig.6 Fan power section grid
分別計(jì)算在中央1臺風(fēng)機(jī)、中間7臺風(fēng)機(jī)與全部19臺風(fēng)機(jī)工作(圖7)下,每臺風(fēng)扇進(jìn)口分別提供200,500,750,1 000,1 500,2 000 Pa壓強(qiáng)時(shí),側(cè)風(fēng)裝置下游出口處氣流的壓力、流量和速度。計(jì)算域邊界條件設(shè)置如圖8所示,紫色區(qū)域設(shè)置為壓力入口,黃色區(qū)域設(shè)置為壓力出口,粉色區(qū)域設(shè)置為無滑移、絕熱壁面。
圖7 風(fēng)機(jī)工作情況Fig.7 Working condition of fan
圖8 邊界條件設(shè)置Fig.8 Boundary condition setting
運(yùn)用ANSYS Workbench Fluent 18.2進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算時(shí)的求解器選擇密度基求解器,流體設(shè)定為理想氣體,計(jì)算模型的速度特征選擇相對速度求解。計(jì)算過程中,采用的控制方程為三維雷諾平均Navier-Stokes方程,空間離散采用二階迎風(fēng)格式,湍流模型選用Realizablek-ε湍流模型。
側(cè)風(fēng)裝置出口氣流流動(dòng)會受到側(cè)風(fēng)裝置不同數(shù)量風(fēng)機(jī)工作的影響,下面從側(cè)風(fēng)裝置出口壓力、流量和速度三個(gè)方面分析側(cè)風(fēng)裝置出口氣流的流動(dòng)情況。
采用數(shù)值模擬方法對側(cè)風(fēng)裝置出口處的壓力進(jìn)行研究,對比分析不同數(shù)量風(fēng)機(jī)工作時(shí)的出口壓力變化規(guī)律。圖9為各個(gè)工況下出口壓力的分布云圖(從左到右分別對應(yīng)風(fēng)扇進(jìn)口總壓200,500,750,1 000,1 500,2000 Pa)??梢?,1 臺、7 臺、19 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),出口壓力均隨進(jìn)口總壓改變,且最大壓力位置并不處于出口截面中心位置。1 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),最大壓力出現(xiàn)在出口截面上部,且進(jìn)口總壓越大越明顯;7臺風(fēng)機(jī)和19臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),高進(jìn)口總壓的出口截面壓力分布比1 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)的更均勻,最大壓力出現(xiàn)在出口截面下部和上部的邊角。
圖9 不同數(shù)量風(fēng)機(jī)工作時(shí)出口截面的壓力分布Fig.9 Pressure distribution of outlet section when different numbers of fans are working
進(jìn)一步對風(fēng)機(jī)工作時(shí)的跡線圖進(jìn)行分析。進(jìn)口總壓2 000 Pa,1臺、7臺、19臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)側(cè)風(fēng)裝置的氣流跡線分別如圖10~圖12 所示。1 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),氣流跡線在出口截面處小幅度偏向上方,導(dǎo)致氣流在出口前一較短距離內(nèi)向上方聚集,形成高壓區(qū),使得出口截面處高壓區(qū)域整體偏向上方。此時(shí),在收斂段會產(chǎn)生回流區(qū),如圖10(b)所示。風(fēng)機(jī)所在風(fēng)筒為進(jìn)氣狀態(tài),而其余未工作風(fēng)機(jī)所在風(fēng)筒為開口風(fēng)筒,氣流可以自由進(jìn)出。出口截面之后會有1 000 mm左右的空間處于負(fù)壓狀態(tài),即該區(qū)域絕對壓強(qiáng)低于外界大氣壓強(qiáng),造成除10號風(fēng)機(jī)所在風(fēng)筒外的其余風(fēng)筒處于從外界吸氣的狀態(tài)。但是由于該負(fù)壓相對較小(>-10 Pa),因此氣流在這些風(fēng)筒內(nèi)的速度并不是很高,進(jìn)入收斂段后不能及時(shí)從下游出口排出,在負(fù)壓區(qū)形成回流區(qū)。
圖10 1臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)側(cè)風(fēng)裝置的跡線圖(進(jìn)口總壓2 000 Pa)Fig.10 Trace diagram of working device of 1 fan with 2 000 Pa total inlet pressure
圖11 7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)側(cè)風(fēng)裝置的跡線圖(進(jìn)口總壓2 000 Pa)Fig.11 Trace diagram of working device of 7 fans with 2 000 Pa total inlet pressure
圖12 19臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)側(cè)風(fēng)裝置的跡線圖(進(jìn)口總壓2 000 Pa)Fig.12 Trace diagram of working device of 19 fans with 2 000 Pa total inlet pressure
7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),在收斂段同樣會產(chǎn)生回流區(qū),但其形成機(jī)理與1 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)的形成機(jī)理不同。此時(shí),工作風(fēng)機(jī)向內(nèi)吸氣會在風(fēng)筒截面后形成高壓區(qū),使被吸入空氣因?yàn)閮?nèi)外壓差被強(qiáng)行從工作風(fēng)機(jī)所在風(fēng)筒擠出收斂段內(nèi)部空間,從而在內(nèi)部形成回流區(qū)。
19臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),在收斂段內(nèi)部沒有明顯的回流區(qū)產(chǎn)生,流場均勻穩(wěn)定。
上述從壓強(qiáng)方面解釋了1 臺風(fēng)機(jī)與7 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)收斂段內(nèi)部產(chǎn)生回流區(qū)的原因,本節(jié)通過比較進(jìn)、出口流量變化規(guī)律對產(chǎn)生回流區(qū)的原因進(jìn)行分析說明。不同數(shù)量風(fēng)機(jī)工作時(shí)的氣體流量見表1。可以看出,1 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),所有風(fēng)筒處于進(jìn)氣狀態(tài),進(jìn)氣流量等于出氣流量。7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),只有工作風(fēng)機(jī)所在風(fēng)筒進(jìn)氣,而氣流從非工作風(fēng)機(jī)所在風(fēng)筒與下游出口流出,使得進(jìn)氣流量等于出氣流量。所以1臺風(fēng)機(jī)與7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生回流區(qū)的方式不同。
表1 不同數(shù)量風(fēng)機(jī)工作時(shí)的氣體流量Table 1 Gas flow during operation of different number of fans
圖13為進(jìn)口總壓2 000 Pa時(shí),1臺、7臺、19臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)每臺風(fēng)機(jī)對進(jìn)氣流量的貢獻(xiàn)曲線圖。從圖中可清晰看出不同數(shù)量風(fēng)機(jī)工作時(shí)每臺風(fēng)機(jī)輸送的流量:1臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),幾乎所有進(jìn)口流量由10號工作風(fēng)機(jī)提供,其余18 臺未工作風(fēng)機(jī)也有少量進(jìn)氣,但對總體進(jìn)口流量影響不大,只是會導(dǎo)致側(cè)風(fēng)裝置收斂延長段內(nèi)部產(chǎn)生輕微的紊流;7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),進(jìn)口流量由5、6、9、10、11、14、15 號工作風(fēng)機(jī)提供,其余12 臺未工作風(fēng)機(jī)不僅沒有向裝置內(nèi)部提供流量,反而造成吸入流量損失,進(jìn)而造成收斂延伸段內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的回流區(qū),對出口流量影響較大;19 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),由于全部風(fēng)機(jī)都在工作,所以每臺風(fēng)機(jī)承擔(dān)的流量近似,這與1臺風(fēng)機(jī)和7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)工作風(fēng)機(jī)與非工作風(fēng)機(jī)提供的流量有明顯不同。圖中也進(jìn)一步說明,1臺風(fēng)機(jī)和7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生回流區(qū)的機(jī)理完全不同。
圖13 進(jìn)口氣壓2 000 Pa時(shí)各風(fēng)機(jī)流量貢獻(xiàn)曲線Fig.13 Contribution curve of fan flow at inlet pressure of 2 000 Pa
對比三種數(shù)量風(fēng)機(jī)工作情況,1 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)效率最高,且未工作風(fēng)機(jī)也能提供一定的流量;7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),流場相對穩(wěn)定,但未工作風(fēng)機(jī)會引起一部分流量損失;19 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),流場穩(wěn)定均勻。因此,試驗(yàn)過程中應(yīng)盡量選用全部19臺風(fēng)機(jī)工作。
1 臺、7 臺、19 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)各進(jìn)口壓力下的出口速度分布云圖如圖14所示??梢钥闯?,隨著進(jìn)口總壓增大,出口速度也隨之增大,且其在單一條件中的分布也具有規(guī)律性,即越靠近壁面速度越低。1臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),出口截面的最大速度位于中心點(diǎn)右上方位置,這是受未工作風(fēng)機(jī)影響,使得流場紊亂所致。工作風(fēng)機(jī)數(shù)量增多,流場更加均勻。
圖14 不同數(shù)量風(fēng)機(jī)工作時(shí)的出口速度變化Fig.14 Variation diagram of outlet speed when different numbers of fans are working
以出口截面中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,水平方向每間隔200 mm 取一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),原點(diǎn)左右取±80 mm的兩點(diǎn),則出口截面處水平方向的速度分布如圖15所示??梢?,出口速度在靠近壁面處會驟然下降,越靠近壁面處速度越低,且近壁面處速度梯度較大。這是因?yàn)榫o貼壁面處有一層因壁面限制而導(dǎo)致脈動(dòng)消失的層流薄層,其黏滯力使得流速急劇下降。
圖15 不同工況下的出口速度分布曲線Fig.15 Outlet velocity distribution curve under different working conditions
利用數(shù)值模擬方法,對某發(fā)動(dòng)機(jī)露天試車臺側(cè)風(fēng)裝置不同工況進(jìn)行了仿真計(jì)算分析,主要得出以下結(jié)論:
(1) 相比全部19 臺風(fēng)機(jī)工作,中央1 臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)的總壓損失大,且氣流流動(dòng)紊亂;相比中間7臺風(fēng)機(jī)和全部19臺風(fēng)機(jī)工作,中央1臺風(fēng)機(jī)工作時(shí)的流量、速度受總壓的影響小。
(2) 中央1 臺風(fēng)機(jī)單獨(dú)工作時(shí)效率最高,比19臺風(fēng)機(jī)一起工作時(shí)每臺風(fēng)機(jī)提供流量的能力都強(qiáng),其周圍不工作的風(fēng)機(jī)受壓差作用會從外界吸氣,使得側(cè)風(fēng)裝置出口流量高于工作風(fēng)機(jī)吸入流量,但未工作風(fēng)機(jī)吸入的氣流流速低且紊亂。
(3) 19臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),在壁面和中心區(qū)之間的區(qū)域流動(dòng)較為穩(wěn)定;中央1臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),流速和壓力較高區(qū)域都偏離中心區(qū);中間7臺風(fēng)機(jī)工作時(shí),流動(dòng)相對穩(wěn)定,但流量會受未工作風(fēng)機(jī)影響而降低。試驗(yàn)時(shí),應(yīng)盡量避免中央1臺風(fēng)機(jī)和中間7臺風(fēng)機(jī)工作引起的試驗(yàn)誤差。