某发动机可调喷管流场数值分析

王书贤，鲍教修，张立波，朱思琦，孙嘉滨

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

0 引言

喷气发动机尾喷管的主要功用是使燃气膨胀，加速喷出，产生推力[1]。对于带加力燃烧室的军用燃气涡轮发动机其喷管压强比变化范围很大，使用可调喷管可以在宽广的压强比范围内获得最大推力[2]，并有利于降低燃油消耗量[3]。通常飞行马赫数小于2的战机发动机多采用面积可调的收敛喷管，喷管是鱼鳞片结构，由调节环及液压调节系统控制鱼鳞片收放达到调节喷管出口面积的目的[4]。具体的喷管调节方案由发动机的工作包线和飞机设计要求共同确定[5-6]。近年来，国内对组合推进发动机可调喷管的性能进行了研究[7-8]，拓展了可调喷管的应用领域。

为了深入理解可调喷管的流场特点，探索可调喷管的优化设计方案，本文针对某航空发动机的可调喷管进行流场分析。首先按面积一致的原则将其内型面近似为规则的圆形，进行二维流场计算，分析其在慢车状态、最大状态以及全加力状态的气动规律。其次考虑可调喷管由调节片和密封片组成，实际内型面为多边形，对流场进行了三维数值模拟，分析多边形内型面对流场的影响。

1 计算模型

1.1 几何结构及网格划分

某发动机可调喷管进口直径为760mm，当发动机处于慢车状态和全加力状态时喷管长度为280mm，出口直径为630mm；当发动机处于最大状态时喷管长度为270mm，出口直径为510mm。

首先将可调喷管的多边形周向内型面近似为圆形，稳定状态下流场轴对称，划分二维结构化网格，见图1(a)；对壁面附近网格进行加密处理。实际可调喷管由24片密封片和调节片交替排列组成，其周向内型面为多边形，见图1(b)；取流场区域的1/6进行分析，划分三维结构化网格，见图1(c)，同样加密边界网格。

(a) 二维结构网格 (b) 实际内型面 (c) 三维结构网格

图1几何结构及网格

1.2 物理模型及求解方法

该发动机工作于慢车、最大推力、全加力三种稳定状态下的喷管相关物理参数如表1所示。

表1 相关物理参数

求得三种稳定状态下喷管进口气流的雷诺数分别为：Re慢=771267 、Re最大=989178 、Re全=700862，由此判断喷管内的流动为充分发展的湍流。

进一步求得环境压强与进口压强之比分别为：β慢=0.5 、β最大=β全=0.09，判断喷管在三种稳态下均处于超临界状态，即喷管出口气流速度达到声速，出口压强大于环境压强。

计算采用的控制方程为通用形式的守恒方程，湍流模型为标准k-ε模型(RNG格式，标准壁面函数)，差分方法为二阶迎风格式，采用压力耦合隐式亚松弛迭代进行求解。

2 计算结果分析

首先计算了慢车状态、最大状态以及全加力状态的稳态流场，获得喷管流动的基本规律；然后计算了最大状态下，喷管实际多边形内型面对流场的影响。

2.1 三种典型状态流场分析

通过计算获得三种状态下的流场分布，其中最大状态的速度分布、压强分布及温度分布分别如图2、图3、图4所示。

图2最大状态下的速度分布

图3最大状态下的压强分布

图4 最大状态下的温度分布

速度沿喷管轴线方向迅速增大，在出口处达到声速；压强迅速降低，在出口处为0.153MPa，大于环境压强，处于超临界状态；温度迅速下降，体现了热能向动能的转化。慢车状态及全加力状态的喷管气动规律与最大状态一致，根据计算获得的喷管出口参数，进一步计算得到三种状态下的推力，列于表2中。

表2 三种状态的出口参数及推力

2.2 多边形内型面对流场的影响

由于可调喷管由密封片和调节片交替排列组成，实际周向内型面为多边形，取实际流场区域的1/6进行了计算分析，获得最大状态速度分布、压强分布及温度分布分别如图5、图6、图7所示。

图5多边形内型面喷管最大状态下的速度分布

图6多边形内型面喷管最大状态下的压强分布

图7 多边形内型面喷管最大状态下的温度分布

沿轴向整体的分布规律与近似的圆形内型面喷管流场一致，符合喷管流动的一般规律。但在壁面转角附近，实际多边形内型面喷管内气体温度下降较慢，速度上升也较慢，这主要是由于密封片和调节片相交的位置几何形状变化不连续，且该位置是距轴线半径最大处，壁面对气体的粘性影响较大。

将近似圆形的内型面喷管出口平均参数(速度、静压、总压、静温、总温)与实际多边形内型面相应喷管出口平均参数以及相对变化量(以圆形内型面喷管出口平均参数为基准)列于表3。可见两种内型面的喷管在进口参数一致的情况下，出口参数相差不大，其中由于计算假设绝热，总温接近相等；速度、静压、静温变化在1%左右；总压则比多形内型面喷管小4.9%，这主要由于在进口面积相同的条件下，多边形内型面表面积较大，壁面造成的粘性较大，且多边形内型面曲率变化不连续，流线受到干扰造成了总压损失。

表3 最大状态下两种喷管内型面出口参数

3 结论

(1)可调喷管在慢车状态、最大状态以及全加力状态时均处于超临界状态，能量利用率较低，在可用压强比较大时宜采用收敛-扩张喷管。

(2)可调喷管实际多边形周向内型面在径向方向靠近壁面转角的位置温度下降较慢，速度上升也较慢。多边形周向内型面的流动损失较大，总压相差4.9%。

(3)在可调喷管的结构设计中应在保证调节功能的基础上，尽量使调节片、密封片搭接处圆滑过渡，以减少流动损失。