田方超,趙肅,楊瀚超
(中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽(yáng) 110015)
飛機(jī)在雨中飛行或在起飛、著陸過(guò)程中輪胎濺水均有可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)吞水,吞入大量的液態(tài)水可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低、喘振甚至熄火[1]。因此,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制過(guò)程中需要開(kāi)展吞水試驗(yàn)[2-4],以驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)是否具有良好的吞水能力,并掌握吞水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律[5-7]。中國(guó)渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)吞水試驗(yàn)主要依據(jù)國(guó)軍標(biāo)[8-9]要求開(kāi)展,其中規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)最大吞水量要達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量的5%,并且要有50%液態(tài)水通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的1/3扇形面積。但未明確指出這“1/3扇形面積”是否在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面的周向位置。在實(shí)際開(kāi)展的第3代發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)中,由于其配裝進(jìn)氣道主要為“直通型”,考慮液態(tài)水滴的重力下沉現(xiàn)象,此“1/3扇形面積”往往給定為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面的正下方[10]。
對(duì)于第4、5代戰(zhàn)機(jī),為提高隱身性能,往往配裝全遮擋的大S彎進(jìn)氣道,該類(lèi)進(jìn)氣道吞水后,由于進(jìn)氣道型面彎折較大,液態(tài)水滴達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面后,其集中分布情況可能與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)不一致,即有可能出現(xiàn)高水量區(qū)域不在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口下方的情況。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)控制而言,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)主要截面溫度、壓力測(cè)量的受感部在周向有特定的位置分布,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口水量分布差異會(huì)對(duì)不同的傳感器帶來(lái)不同程度的干擾,進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)控制能力,若在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)中采用了不符合實(shí)際使用條件的水量分布,有可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)吞水能力評(píng)判帶來(lái)影響。因此,有必要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)所采用的進(jìn)氣道構(gòu)型開(kāi)展進(jìn)氣道吞水過(guò)程研究。隨著計(jì)算機(jī)與計(jì)算方法的發(fā)展,數(shù)值仿真手段在吞水、霧化等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。李衛(wèi)強(qiáng)[11]、白鵬博等[12]對(duì)吞水試驗(yàn)臺(tái)噴霧系統(tǒng)霧化效果進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了噴嘴布置形式與噴嘴壓力對(duì)霧化效果的影響;劉昌波等[13]提出了一種霧化過(guò)程的歐拉-拉格朗日耦合算法,可以大幅縮短霧化仿真的計(jì)算周期;Berthoumieu等[14]進(jìn)行了液滴破碎仿真分析,給出了發(fā)生氣動(dòng)破碎的臨界韋伯?dāng)?shù);Hsiang等[15]開(kāi)展了關(guān)于二次霧化的計(jì)算研究,表明液滴顆粒的韋伯?dāng)?shù)越大,破碎相對(duì)更加明顯。
為獲取液態(tài)水經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道后在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面的分布情況,為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)提供輸入條件,本文采用3維數(shù)值仿真方法,開(kāi)展了大S彎進(jìn)氣道吞水過(guò)程數(shù)值仿真研究。
F-35戰(zhàn)斗機(jī)采用了大S彎的無(wú)附面層隔道超音速進(jìn)氣道(Diverterless Supersonic Inlet,DSI)進(jìn)氣道,根據(jù)F-35戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)景照片(如圖1所示)[16],模擬重建了F-35飛機(jī)進(jìn)氣道模型作為本文研究對(duì)象,為對(duì)接后方發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口,將進(jìn)氣道出口轉(zhuǎn)化成圓形。模型主要包含部分前體機(jī)身、進(jìn)氣道口部鼓包、進(jìn)氣道內(nèi)壁面等結(jié)構(gòu)。進(jìn)氣道幾何尺寸大小由對(duì)接的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口尺寸確定。進(jìn)氣道總長(zhǎng)約8.4 m,出口直徑與對(duì)接的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口直徑一致。
圖1 F-35戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)景照片[16]
根據(jù)進(jìn)氣道模型劃分計(jì)算網(wǎng)格,如圖2所示。對(duì)計(jì)算域內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的進(jìn)氣道口部區(qū)域、內(nèi)流道進(jìn)行局部加密,所有壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格,以便更準(zhǔn)確的計(jì)算液滴與壁面的相互作用,全局網(wǎng)格量為320萬(wàn)左右。
圖2 計(jì)算網(wǎng)格
本文需要求解空氣與水的耦合流動(dòng),對(duì)于不同組分有針對(duì)性的選取相應(yīng)的計(jì)算模型,進(jìn)行聯(lián)合求解:針對(duì)本文研究對(duì)象的流動(dòng)特性,空氣相(連續(xù)相)采用基于有限體積法的N-S方程求解器,湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-e模型,使用2階流動(dòng)精度格式進(jìn)行方程求解。對(duì)于邊界條件設(shè)置,進(jìn)氣道出口設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet),通過(guò)調(diào)整背壓實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣流量與發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)匹配,背壓由發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)所需流量確定。計(jì)算域邊緣設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)(pressure-far field),遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)流速度為0 m/s,大氣條件按標(biāo)天給定,壓力為101.3 kPa,溫度為288.15 K。計(jì)算結(jié)果的收斂以通道內(nèi)監(jiān)控面的流量、平均馬赫數(shù)、平均總壓的殘差穩(wěn)定且全部小于10-3為衡量準(zhǔn)則。
外流場(chǎng)進(jìn)口為壓力遠(yuǎn)場(chǎng),按地面標(biāo)天條件給定溫度、壓力等所需參數(shù);進(jìn)氣道出口為壓力出口條件,背壓由發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)所需流量確定。計(jì)算結(jié)果的收斂以通道內(nèi)監(jiān)控面的流量、平均馬赫數(shù)及平均總壓恒定為衡量準(zhǔn)則。
根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求,發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)中最大吞水量為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量的5%,屬于稀多相流問(wèn)題,水滴與空氣之間的相互作用適用于離散相模型(Discrete Phase Model,DPM)進(jìn)行求解,計(jì)算考慮重力影響,液滴破碎計(jì)算采用Wave模型,對(duì)高速環(huán)境下的液滴破碎模擬具有更高的精度,碰撞計(jì)算采用O’Rourke模型[17],在計(jì)算過(guò)程中對(duì)水滴粒子進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。
開(kāi)展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究,針對(duì)該進(jìn)氣道,搭建網(wǎng)格總量分別為181、320和593萬(wàn)的進(jìn)氣道仿真算例,3種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。采用進(jìn)氣道出口總壓畸變指數(shù)及總壓恢復(fù)系數(shù)這2個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)氣道特性參數(shù)為對(duì)比參數(shù),以320萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)值,181萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與其有明顯偏差,593萬(wàn)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與與其基本一致。因此,出于提升計(jì)算效率和保證計(jì)算精度兩方面綜合考慮,最終確定計(jì)算模型的網(wǎng)格總量為320萬(wàn)。
表1 3種方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比
為使研究?jī)?nèi)容更加完整翔實(shí),在進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場(chǎng)、吞入噴射裝置產(chǎn)生的液態(tài)水、吞入雨天空氣中的液態(tài)水3種條件下進(jìn)行數(shù)值仿真。
在進(jìn)氣道基準(zhǔn)流場(chǎng)仿真中,不考慮液相,目的是獲取無(wú)水條件下進(jìn)氣道流場(chǎng)特性,作為對(duì)比分析的基準(zhǔn)流場(chǎng);在吞入噴射裝置產(chǎn)生的液態(tài)水仿真中,在進(jìn)氣道進(jìn)口外設(shè)置12個(gè)噴嘴,總噴水量為空氣流量的5%,噴出水滴粒徑給定為2 mm,液態(tài)水溫度給定與空氣溫度一致;在吞入雨天空氣中的液態(tài)水仿真中,進(jìn)氣道口部外的整個(gè)計(jì)算域內(nèi)給定均布的液滴,模擬飛機(jī)在真實(shí)雨天環(huán)境下的吞水過(guò)程。
采用某Ma2級(jí)進(jìn)氣道的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文所采用的連續(xù)相(空氣相)計(jì)算方法進(jìn)行可靠性驗(yàn)證,通過(guò)在中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所開(kāi)展的全尺寸進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的地面臺(tái)架聯(lián)合試驗(yàn)[18],獲取了在不同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)。本文對(duì)該進(jìn)氣道進(jìn)行了幾何建模,采用本文提出的仿真方法對(duì)其試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算,計(jì)算中通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣道出口壓力,保證進(jìn)氣道流量與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)氣流量相同,對(duì)于同一模型,幾何尺寸一致,進(jìn)氣流量相同則馬赫數(shù)相同,因此進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)具有可比性。仿真與試驗(yàn)獲得的進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)比如圖3所示。從圖中可見(jiàn),在不同發(fā)動(dòng)機(jī)流量下,仿真獲得的進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性,相對(duì)誤差最大為3.54%,在工程可接收范圍內(nèi),證明本文提出的仿真方法可靠。
圖3 仿真與試驗(yàn)獲得的進(jìn)氣道出口總壓恢復(fù)系數(shù)對(duì)比
中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所采用全尺寸進(jìn)氣道配裝發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了吸入高溫水蒸氣試驗(yàn)研究,通過(guò)在進(jìn)氣道出口加裝總溫測(cè)耙(6支5點(diǎn),共30個(gè)測(cè)點(diǎn))獲取了進(jìn)氣道出口截面溫度分布。本文對(duì)該試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行了幾何建模,采用本文提出的仿真方法進(jìn)行了進(jìn)氣道吞入水蒸汽過(guò)程的仿真分析,仿真中水滴溫度、水滴流量、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等與試驗(yàn)條件保持一致。仿真與試驗(yàn)獲得的進(jìn)氣道出口總溫分布圖譜對(duì)比如圖4所示。從圖中可見(jiàn),在相同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)及水蒸氣吸入量下,進(jìn)氣道出口總溫分布圖譜具有較好的一致性,均表現(xiàn)為右上方高溫區(qū)、左下方低溫區(qū),同時(shí)面平均溫度試驗(yàn)結(jié)果為34.6℃、仿真結(jié)果為38.1℃,相對(duì)誤差為9.2%,對(duì)于多相流復(fù)雜流動(dòng)來(lái)說(shuō),計(jì)算誤差在工程可接受范圍內(nèi),證明本文提出的仿真方法可靠。
圖4 仿真與試驗(yàn)獲得的進(jìn)氣道出口總溫分布圖譜對(duì)比
進(jìn)氣道空氣速度流線如圖5所示。空氣從進(jìn)氣道前方及四周被吸入,進(jìn)入進(jìn)氣道后空氣流速明顯提高,由于進(jìn)氣道中部設(shè)置喉道,流入空氣呈現(xiàn)先增速后減速狀態(tài),最大速度達(dá)到304 m/s。由于進(jìn)氣道型面呈S型,部分流線發(fā)生旋轉(zhuǎn),在進(jìn)氣道流道內(nèi)出現(xiàn)旋流。
圖5 進(jìn)氣道空氣速度流線
噴水裝置布置于進(jìn)氣道進(jìn)口前方,通過(guò)若干噴嘴噴出水滴,在進(jìn)氣道抽吸力的作用下被進(jìn)氣道吞入。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)[9]要求制定噴水方案:噴水量為發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量的5%,噴出水滴粒徑為2 mm,噴射速度為20 m/s。
水滴被進(jìn)氣道吸入的過(guò)程如圖6所示,顏色深度表示水滴速度大小。從圖中可見(jiàn),水滴噴出時(shí)速度較低,隨著進(jìn)入進(jìn)氣道,受到進(jìn)氣道入口處鼓包擠壓并被空氣裹挾,速度提高,最高速度約在進(jìn)氣道中部喉道處,數(shù)值與空氣流速基本一致。水滴速度流場(chǎng)與空氣速度流場(chǎng)極為相似,說(shuō)明大部分水滴被空氣裹挾流動(dòng),隨動(dòng)性較好。從開(kāi)始噴水進(jìn)行計(jì)時(shí),由于空氣流速較高,水滴噴出后約0.1 s快速到達(dá)進(jìn)氣道出口,整個(gè)吞水過(guò)程迅速完成。
圖6 水滴被進(jìn)氣道吸入的過(guò)程
水滴粒徑尺寸分布如圖7所示。從圖中可見(jiàn),水滴經(jīng)過(guò)進(jìn)氣道后并沒(méi)有合并,而是破碎。在高速氣流沖刷撞擊下,液滴粒徑迅速減小,從噴嘴噴出的水滴粒徑為2 mm,進(jìn)氣道內(nèi)粒徑均值為36 um,減小約55倍。同時(shí),在進(jìn)氣道后段,水滴粒子主要分布在進(jìn)氣道流道上部,這是由于粒徑過(guò)小,水滴粒子主要隨空氣流線運(yùn)動(dòng),重力影響微弱,并未發(fā)生向下沉積現(xiàn)象。
圖7 水滴粒徑尺寸分布
進(jìn)氣道出口截面水滴流量分布如圖8所示。從圖中可見(jiàn),水滴在進(jìn)氣道出口左上角區(qū)域較為集中,右側(cè)亦有分布,而在左下角分布較少。將進(jìn)氣道出口截面等分成3個(gè)扇區(qū),各扇區(qū)水量分布見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn),扇區(qū)1水量占比最高,達(dá)到了55%。通過(guò)仿真計(jì)算得到的水量分布情況,與之前發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)方式(50%水通過(guò)下方1/3扇形面積)有明顯差異,對(duì)于該類(lèi)型面彎折較大的進(jìn)氣道,需根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,才能更準(zhǔn)確的驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的吞水能力。
圖8 進(jìn)氣道出口截面水滴流量分布
表2 各扇區(qū)水滴流量占總水量比例
針對(duì)水滴主要在進(jìn)氣道左上角分布的特性進(jìn)行分析,水滴分布沿程變化如圖9所示,進(jìn)氣道流道型面變化如圖10所示。從圖中可見(jiàn),由于受其他方向空氣來(lái)流的擠壓,水滴在進(jìn)氣道入口處集中在右側(cè)中部,由于進(jìn)氣道流道呈S型且進(jìn)、出口中心存在偏移,產(chǎn)生了旋流效應(yīng),空氣流線在進(jìn)氣道內(nèi)沿逆時(shí)針?lè)较颉皵Q麻花”,水滴的流動(dòng)受空氣裹挾的影響,導(dǎo)致高水量區(qū)域逆時(shí)針遷移,最終在進(jìn)氣道出口時(shí)水滴主要集中在左上側(cè)區(qū)域。
圖9 水滴分布沿程變化
圖10 進(jìn)氣道流道型面變化
為了更好、更全面的為臺(tái)架?chē)娝b置設(shè)計(jì)提供參考,進(jìn)氣道出口截面水滴粒徑及水滴速度分布如圖11所示。進(jìn)氣道出口水滴粒徑非常微小,均值為35 μm,并且進(jìn)氣道出口截面各位置處粒徑尺寸分布十分均勻。進(jìn)氣道出口水滴速度分布差異性較大(圖7),從噴嘴噴出的水滴在進(jìn)氣道入口處即迅速破碎,在進(jìn)氣道內(nèi)與空氣的隨動(dòng)性較好,均表明進(jìn)氣道出口水滴粒子速度分布與空氣速度分布基本一致。
圖11 進(jìn)氣道出口截面水滴粒徑及水滴速度分布
在進(jìn)氣道前方及周?chē)目諝庵薪o定均勻分布的大量水滴粒子,在進(jìn)氣道抽吸力的作用下被進(jìn)氣道吞入。采用與第2.2節(jié)相同的仿真方法、進(jìn)氣道模型、吞水量及水滴粒徑,模擬真實(shí)下雨天氣,對(duì)進(jìn)氣道吞水過(guò)程進(jìn)行了仿真。
在仿真結(jié)果中,進(jìn)氣道出口水滴粒徑、水滴速度分布與圖11結(jié)果基本一致,在此不再贅述,主要分析水滴流量分布的差異。在整體流場(chǎng)中水滴分布如圖12所示。從圖中可見(jiàn),在進(jìn)氣道前大范圍區(qū)域均勻存在水滴,模擬真實(shí)下雨天氣的水滴分布,被進(jìn)氣道吸入后水滴速度變化與第2.2節(jié)中的計(jì)算結(jié)果相似,均為先增速后減速,但在進(jìn)氣道后段,下方水滴增多。進(jìn)氣道出口水滴流量分布如圖13所示。從圖中可見(jiàn),水滴分布趨勢(shì)與第2.2節(jié)計(jì)算結(jié)果一致,最高水量區(qū)域同樣為左上角,但整體分布更加均勻。進(jìn)氣道出口截面水滴流量占比見(jiàn)表3。對(duì)比表2可見(jiàn),扇區(qū)1水量占比大幅減小,扇區(qū)2的基本不變,扇區(qū)3的水量占比有較大提升。
表3 進(jìn)氣道出口截面水滴流量占比(雨天)
圖12 整體流場(chǎng)中水滴分布(雨天)
圖13 進(jìn)氣道出口截面水滴流量分布(雨天)
在雨天吞水條件下水滴分布沿程變化如圖14所示。對(duì)比圖9可見(jiàn),2個(gè)算例中水量分布變化趨勢(shì)相似,均由進(jìn)氣道的S彎構(gòu)形導(dǎo)致了高水量區(qū)域的逆時(shí)針遷移。但在雨天吞水結(jié)果中,由于空氣中遍布水滴,進(jìn)氣道從口部四周吸入的空氣流線中均攜帶水滴粒子,因此進(jìn)氣道入口處的水量分布更加均勻,使得進(jìn)氣道出口分布也更均勻。綜合這2個(gè)算例可見(jiàn),通過(guò)進(jìn)氣道口部直接噴水來(lái)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)雨天吞水工作能力的方式有待商榷,試驗(yàn)條件相比發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作環(huán)境更為惡劣。
圖14 水滴流量分布沿程變化(雨天)
建議發(fā)動(dòng)機(jī)吞水能力考核還是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)實(shí)施,前提是通過(guò)進(jìn)氣道仿真或試驗(yàn)測(cè)量獲取進(jìn)氣道出口截面水量分布圖譜,作為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的輸入條件。
(1)采用搭建的S彎進(jìn)氣道模型,開(kāi)展了無(wú)水及吞水狀態(tài)下進(jìn)氣道3維數(shù)值仿真,經(jīng)算例驗(yàn)證,仿真方法可靠。
(2)水滴被吞入進(jìn)氣道后并非合并而是在高速空氣流線沖擊下迅速破碎,水滴粒徑顯著減小,隨后被空氣裹挾流動(dòng),且隨動(dòng)性較好,重力對(duì)水滴顆粒運(yùn)行軌跡的影響微弱。
(3)進(jìn)氣道內(nèi)流道的S型彎折導(dǎo)致空氣流動(dòng)存在旋流,進(jìn)氣道沿程截面上的高水量分布區(qū)域隨之遷移,對(duì)于本文研究的S彎進(jìn)氣道,水滴粒子在進(jìn)氣道出口左上角區(qū)域較為集中。這種分布形式不同于之前開(kāi)展的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)中所采用的噴水方案,需要對(duì)噴水方案進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整,以便更好地考核發(fā)動(dòng)機(jī)吞水能力。
(4)通過(guò)進(jìn)氣道口部噴嘴噴水得到的進(jìn)氣道出口水量分布圖譜,其不均勻性相比真實(shí)雨天工作情況更為嚴(yán)重,以此種方式進(jìn)行地面進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合吞水試驗(yàn)不能較好的反映真實(shí)工作環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)吞水能力。應(yīng)通過(guò)數(shù)值仿真或試驗(yàn)測(cè)量獲取進(jìn)氣道出口水量分布圖譜,以此為依據(jù)開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架吞水試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)吞水能力。