陳志龍CHEN Zhi-long；羌曉青QIANG Xiao-qing；曹傳軍CAO Chuan-jun；邱添QIU Tian

（①上海交通大學(xué)，上海 201108；②中國(guó)航發(fā)商發(fā)，上海 201108）

0 引言

整機(jī)室內(nèi)試車臺(tái)試車時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馍淞髋c試車臺(tái)的引射作用，試車臺(tái)進(jìn)排氣流量大約是發(fā)動(dòng)機(jī)流量的2到3 倍[1]。對(duì)于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在最大起飛工況下，其在試車臺(tái)內(nèi)的引射作用會(huì)使進(jìn)排氣流量可達(dá)3000kg/s以上，這使得試車臺(tái)外的流場(chǎng)將由進(jìn)排氣流動(dòng)所主導(dǎo)[2][3]。

試車臺(tái)的建造受場(chǎng)地限制，其空間尺寸是有限的，并結(jié)合惡劣氣候下的大氣流動(dòng)，試車臺(tái)排出的氣流有可能受進(jìn)氣流影響，被進(jìn)氣塔再次吸入，這種排氣塔氣流被再吸入進(jìn)氣塔的現(xiàn)象（后文簡(jiǎn)稱再吸入現(xiàn)象）會(huì)導(dǎo)致試車臺(tái)內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)紊亂，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。因此在試車臺(tái)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)階段就應(yīng)充分考慮再吸入的可能性，并盡量避免再吸入的發(fā)生，保證試車臺(tái)內(nèi)部流場(chǎng)平穩(wěn)流暢[5]，進(jìn)而保證試車安全和有效。

試車臺(tái)環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量大小、排氣塔的高度、排氣塔與進(jìn)氣塔的距離是決定是否發(fā)生再吸入現(xiàn)象的關(guān)鍵因素。鑒于排氣塔與進(jìn)氣塔的距離，受車臺(tái)建設(shè)場(chǎng)地限制較大，且相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有參考。本文采用數(shù)值模擬方法，主要研究前三個(gè)變量對(duì)試車臺(tái)外流與再吸入現(xiàn)象的影響。

1 整機(jī)試車臺(tái)外部流場(chǎng)分析

考慮到噪聲、工藝布局對(duì)試車臺(tái)建設(shè)的影響，很多發(fā)動(dòng)機(jī)試車單位一般會(huì)在同一區(qū)域規(guī)劃多座試車臺(tái)，因此本文建立水平排列、間隙固定的兩座試車臺(tái)模型研究試車臺(tái)外流流場(chǎng)。且本文研究的是試車臺(tái)進(jìn)排氣再吸入現(xiàn)象，因此模型設(shè)置環(huán)境氣流大致方向?yàn)榕艢馑飨蜻M(jìn)氣塔。如圖1 所示。

圖1 試車臺(tái)外流氣動(dòng)力示意圖

根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)玫瑰圖與發(fā)動(dòng)機(jī)工況，選取最嚴(yán)格的環(huán)境流動(dòng)與內(nèi)流工況作為仿真模擬的輸入，其中當(dāng)?shù)丨h(huán)境全年統(tǒng)計(jì)超過(guò)1%的最高風(fēng)速為22 節(jié)；選取由排氣塔吹向本身的進(jìn)氣塔（正北風(fēng)）與排氣塔吹向相鄰進(jìn)氣塔（西北風(fēng)22.9°）為最嚴(yán)苛環(huán)境流動(dòng)[6]，并按照排氣塔分別增高0.25D、0.375D、0.5D 計(jì)算試車臺(tái)外流流場(chǎng)（D 為試車間橫截面邊長(zhǎng)）。

2 數(shù)值計(jì)算模型與方法

2.1 試車臺(tái)模型

試車臺(tái)主要由進(jìn)氣塔、試車間、引射筒、排氣塔組成，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，排氣塔高2.82D，進(jìn)氣塔高1.83D。同時(shí)，考慮試車臺(tái)內(nèi)的消音板、導(dǎo)流板、開(kāi)孔擴(kuò)壓器等對(duì)外流沒(méi)有影響，應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化外流模型。

2.2 控制體選取

仿真控制體為模擬無(wú)限遠(yuǎn)處的環(huán)境流場(chǎng)，除了定義邊界為無(wú)反射恒定流場(chǎng)邊界外，拉伸邊界到模型的距離，以消除計(jì)算邊界對(duì)仿真的影響。

2.3 流體域網(wǎng)格

流體網(wǎng)格劃分過(guò)程中，按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)流體域進(jìn)行了分割，并在全區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為在獲得流場(chǎng)特性的同時(shí)，減少網(wǎng)格總數(shù)，設(shè)置網(wǎng)格尺寸由試車臺(tái)至遠(yuǎn)場(chǎng)逐漸放大，流體域網(wǎng)格數(shù)量總計(jì)約為1500 萬(wàn)。

2.4 湍流模型與數(shù)值算法

流場(chǎng)計(jì)算采用隱式格式求解對(duì)流項(xiàng)，采用有限體積法求解N-S 方程，湍流模型選用Realizable k-ε 模型。遠(yuǎn)場(chǎng)為無(wú)反射邊界，壁面無(wú)滑移、無(wú)穿透，在近壁面垂直于壁面的方向上的壓力梯度為零。

3 結(jié)果分析

3.1 試車臺(tái)外流流場(chǎng)基本結(jié)構(gòu)

排氣流分別受排氣動(dòng)能與環(huán)境氣流速度兩方面作用，將在排氣塔口上升的同時(shí)，向下風(fēng)口處移動(dòng)。在接近進(jìn)氣塔口時(shí)，由于流體粘性的作用，排氣流會(huì)如圖2 所示，受進(jìn)氣流的影響，向下方偏轉(zhuǎn)，并結(jié)合環(huán)境動(dòng)能，被進(jìn)氣塔再吸入或流出進(jìn)氣塔影響范圍。

圖2 試車臺(tái)排氣流線（馬赫數(shù)）分布

3.2 風(fēng)向?qū)υ囓嚺_(tái)進(jìn)排氣流的影響

本節(jié)仿真計(jì)算對(duì)比中，環(huán)境流動(dòng)分為以下兩種情況：①風(fēng)速達(dá)到當(dāng)?shù)啬甓日急葧r(shí)間高于1%的最大風(fēng)速22 節(jié)（約11.3m/s），水平風(fēng)向由排氣塔指向本座試車臺(tái)的進(jìn)氣塔（正北風(fēng)），發(fā)動(dòng)機(jī)在最大起飛工況；②風(fēng)速達(dá)到當(dāng)?shù)啬甓日急葧r(shí)間高于1%的最大風(fēng)速22 節(jié)（約11.3m/s），水平風(fēng)向由排氣塔指向相鄰試車臺(tái)的進(jìn)氣塔（西北風(fēng)22.9°），發(fā)動(dòng)機(jī)在最大起飛工況。

如圖3 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大起飛工況下，相比于環(huán)境流動(dòng)，排氣流在垂直方向上占主導(dǎo)地位，因此排氣流沒(méi)有進(jìn)入進(jìn)氣流的影響區(qū)，兩者都沒(méi)有再吸入現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 不同風(fēng)向流動(dòng)對(duì)試車臺(tái)外流的影響

但在放大進(jìn)氣塔附近的流場(chǎng)，從圖4 中可以看出，正北風(fēng)下，進(jìn)氣流在垂直方向的影響區(qū)為1.01D，而在西北風(fēng)下，進(jìn)氣流在垂直方向的影響區(qū)僅0.73D，說(shuō)明正北風(fēng)更容易導(dǎo)致再吸入現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 不同風(fēng)向流動(dòng)對(duì)進(jìn)氣流線的影響

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)試車臺(tái)進(jìn)排氣流的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化將導(dǎo)致試車臺(tái)進(jìn)排氣流量的變化，從而改變環(huán)境水平流動(dòng)與進(jìn)排氣垂直流動(dòng)的相互影響，當(dāng)環(huán)境水平流動(dòng)占主導(dǎo)作用后，排氣流線將在排氣塔出口外立即轉(zhuǎn)向，最終增加被再吸入的風(fēng)險(xiǎn)。

如圖5 所示，在慢車工況下，由于垂直氣流作用的減小，環(huán)境水平流動(dòng)占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致排氣流在排氣塔內(nèi)側(cè)形成旋渦，這時(shí)進(jìn)氣流受環(huán)境流動(dòng)影響，上游流線延伸至排氣流上方，這導(dǎo)致在垂直方向上，進(jìn)氣流將排氣流包裹，大大增加了再吸入的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 正北風(fēng)22 節(jié)下不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)試車臺(tái)外流的影響

在最大起飛工況下，進(jìn)排氣兩者的粘性影響大大減弱，使得進(jìn)氣流影響區(qū)趨向于水平延伸，完全避免了再吸入的風(fēng)險(xiǎn)。

試車臺(tái)應(yīng)保證在慢車工況下的排氣流脫開(kāi)進(jìn)氣流影響區(qū)，才能保證在發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下都沒(méi)有再吸入現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4 試車臺(tái)排氣塔高對(duì)試車臺(tái)進(jìn)排氣流的影響

根據(jù)上文所述，避免再吸入發(fā)生需要保證排氣流高于進(jìn)氣流的影響區(qū)，對(duì)于試車臺(tái)氣動(dòng)設(shè)計(jì)，最直接的方法就是增高排氣塔高度，以改善試車臺(tái)外流流場(chǎng)。排氣流的初始高度升高，排氣流在下游逐漸脫開(kāi)進(jìn)氣流的影響區(qū)，避免了再吸入的發(fā)生，如表1。

表1 試車臺(tái)外流仿真再吸入分析匯總

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)試車臺(tái)排氣再吸入現(xiàn)象進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論：

①在相鄰多臺(tái)試車臺(tái)同時(shí)工作的情況下，平行于進(jìn)排氣塔連線方向的風(fēng)向相比于傾斜風(fēng)向更容易導(dǎo)致再吸入。在同等風(fēng)速下，正北風(fēng)環(huán)境比西北風(fēng)22.9°的進(jìn)氣影響區(qū)高0.28D。

②發(fā)動(dòng)機(jī)慢車工況排氣流更容易進(jìn)入進(jìn)氣流動(dòng)的影響區(qū)，增加再吸入的風(fēng)險(xiǎn)，需要設(shè)計(jì)保證在慢車工況下排氣流在垂直方向上高于進(jìn)氣流影響區(qū)，即進(jìn)排氣塔高度差小于0.75D，才能使得發(fā)動(dòng)機(jī)全工況下都不會(huì)發(fā)生再吸入現(xiàn)象。

③增高排氣塔會(huì)提高排氣流動(dòng)的初始高度，減弱進(jìn)氣流對(duì)排氣流的粘性影響，從而減小再吸入的風(fēng)險(xiǎn)。