发动机短舱内型面参数设计对进气效率的影响研究

肖 毅，马经忠，胡志东，陈雅丽

(中航工业洪都，江西南昌330024)

0 引言

发动机短舱是包容发动机的重要结构部件，包含动力装置的进气系统即进气道，与动力装置的排气系统即喷管系统和反推力装置，以及连接进气系统和发动机排气系统的短舱舱门，是亚音速运输机的重要部件之一[1]。近年来国内外的研究人员主要针对短舱的吊装形式和安装位置进行了优化设计，利用自主开发的优化程序并结合CFD(Computational Fluid Dynamics)手段，总结形成了多种短舱优化设计的方法，着重分析了短舱阻力大小和表面激波的分布规律[2,3]。由于短舱进气效率普遍较高，有关短舱进气道设计的文献并不多见，但是针对收缩比、扩散段长度等进气道设计中的重要几何参数的研究仍然有必要进行。在某型飞机发动机短舱研制的过程中，为了研究收缩比和扩散段长度对进气效率的影响，本文在商用CFD软件Fluent中对不同的进气道模型进行了数值模拟，分析了进气道出口截面总压恢复和流场畸变的变化规律。

进气道总压恢复系数定义如下：

其中，p0,ex为进气道出口气流平均总压，p0,∞为自由来流总压，在进气道设计中，总压恢复系数越高越好。

进气道流场总压畸变 (IDC,Inlet Distorted Coefficient)定义如下：

其中，p0,min为进气道出口气流最小总压，在进气道设计中，流场畸变越小越好。

1 发动机短舱参数设计概述

图1所示为短舱设计需要确定的主要几何参数。根据某型飞机的设计条件和某型发动机的性能数据，可以计算得到进气道的喉道面积ATH[4]；选择适当的收缩比CR（CR=AHL/ATH），确定进气道的进口面积AHL；参考国内外短舱设计的相关经验，初步确定扩散段长度LD；根据发动机的三维数模并考虑阻力的影响，初步确定短舱外罩的最大截面面积AM、前段长度LM、后段长度LB及喷口直径DB。本文在短舱外形初步确定的情况下，给定喉道和风扇面积AF，着重研究进气道内型面参数CR和LD的改变对进气效率的影响规律。

根据文献[4]的介绍，本文短舱收缩段采用四分之一椭圆构形；通常进气道的扩散段会采用三次样条曲线修形，但是由于本文短舱喉道面积与进气道出口即发动机风扇面积比较接近，三次样条曲线形状的扩散段对改善进气道流场作用并不明显，故扩散段暂定用直线构形。

图1 短舱的几何特征参数

2 计算模型及网格

本文发动机短舱的三维数模如图2所示，为了真实地对短舱流场进行模拟分析，本文加入了进气锥进行三维建模，发动机短舱安装角度为2°。

图2 某型飞机发动机短舱三维数模

由于某型发动机的附件安装相对集中，导致短舱下侧会比较突出，在某型飞机研制的后续工作中，某型发动机附件的安装有优化的余地，继而可以对短舱外形做进一步的优化设计，但这并不会对本文研究短舱进气道内的流动造成影响。不同短舱的几何参数如表1所示，其中对扩散段长度进行了无量纲化处理。

表1 不同短舱的几何参数

本文的计算模型首先在Gambit中划分非结构化的三角形网格，然后在Tgrid中划分四面体网格，对短舱壁面进行局部加密处理，总网格数在600万左右。短舱进气道的表面网格如图3所示。

图3 短舱进气道的表面网格

3 计算方法概述

本文的数值模拟在商用CFD软件Fluent中进行。将流场边界设置为压力远场条件，将进气道出口设置为压力出口条件。采用有限体积法求解Navier-Stokes方程；使用二阶迎风格式对时间和空间项进行离散；采用可实现的k-ε(realizable k-ε)湍流模型对流动进行计算，该模型将湍动粘度与应变率联系起来，使得流动更加符合湍流的物理定律，适合于对射流、边界层流动、有分离流动等进行计算[5]。本文在发动机最大状态下对短舱内外流场进行计算，计算条件为11km高度，0.8马赫数，1°攻角的高空巡航状态及0km高度，0马赫数的地面状态。流场的控制方程如下式所示：

4 计算结果分析

图4所示为Case.3短舱XOY中心截面的马赫数分布云图。 在11km高度，以马赫数0.8巡航时，流动在接近短舱时逐渐减速，驻点在唇口附近形成，在短舱上侧的外唇区域出现了超音速流动，并伴随形成了激波，在某型飞机发动机短舱的后续研制过程中，外唇有必要做进一步的优化设计；除下侧有一部分速度较高的区域外，进气道内流场比较均匀。在地面状态下，流动在接近短舱时逐渐加速，空气被不断吸入发动机内，气流最大速度分布在唇口内侧，靠近壁面的流动速度相对较低，在接近进气道出口附近，流动变得越来越均匀。

图4 Case.3短舱XOY中心截面马赫数云图

图5所示为Case.3短舱进气道出口截面的总压恢复系数分布。总体而言，短舱的进气效率是比较高的，从图中可以看出，靠近壁面的地方总压损失较大；在地面状态时，从进气道壁面到进气锥方向，总压恢复系数的变化梯度更大，相对于高速巡航状态，进气道出口的总压恢复会出现一定的下降，且流场畸变也会更加严重。

图6所示为收缩比对短舱进气效率的影响。从图中可以看出，地面状态下短舱的总压恢复系数较高空巡航时更低，进气畸变也更加严重。总体而言，增加收缩比，从而增大短舱的进口面积，可以提高进气道出口的总压恢复，降低流场畸变，获得更高的进气效率；当然，随着进口面积的增加，短舱的外罩阻力也会增加，一般情况下短舱的收缩比均在1.3以内，但对于本文设计所采用的发动机而言，其附件分布较为集中，设计小的喉道面积，选择小的收缩比，在建立短舱外形数模时，会产生曲率较大的部位，适当选择较高的收缩比，可以使短舱外形更加光顺。

图7所示为扩散段长度对短舱进气效率的影响。在扩散角变化很小的情况下，随着扩散段长度的增加，无论是高速巡航状态还是地面状态，进气道出口的总压恢复系数随之会有细微的下降，扩散段长度的增加，增加了流动的摩擦损失；总体而言，扩散段长度的增加有利于降低进气道内的流场畸变，可以使得流动分布更加均匀，但扩散段长度的增加无疑会增加短舱的重量，给飞机带来不必要的负担，需要做权衡选择。不同工况的计算结果见表2。

图5 Case.3进气道出口截面总压恢复系数云图

图6 收缩比对短舱进气效率的影响

图7 扩散段长度对短舱进气效率的影响

表2 不同工况的计算结果

5 结语

本文在计算流体动力学软件Fluent时，对不同短舱进气道内的流动进行了数值模拟，研究了收缩比与扩散段长度对进气效率的影响。在一定范围内，增加收缩比有利于提高短舱的进气效率，但进口面积的增大会增加短舱的外罩阻力；总体而言，增加扩散段长度，会降低进气道出口的总压恢复系数，但流场畸变也同样会降低。从获得高进气效率的角度出发，应当在一定范围内选择高的收缩比和适当的扩散段长度。

[1]《飞机设计手册》总编委.飞机设计手册第5册民用飞机总体设计[M].北京：航空工业出版社，2005.

[2]Ryota Yoneta et al.Aerodynamic Optimization of an Over-the-Wing-Nacelle-Mount Configuration[J]. AIAA 2010-1016:1-20.

[3]黎军，王霄.一种低压音速发动机短舱进气道的优化设计[C].第一届近代实验空气动力学会议，银川，2007:441-443.

[4]《飞机设计手册》总编委.飞机设计手册第6册气动设计[M].北京：航空工业出版社，2002.

[5]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.