飞机发动机短舱外形设计及数值仿真

发动机短舱对飞机的性能有着至关重要的影响。针对某型民用飞机,对其发动机短舱进行了初步参数选取和气动外形设计;并在此基础上开展了数值仿真计算。计算结果表明,设计的短舱气动外形满足设计要求,且进气道内总压恢复系数随着进气道扩散段长度的减小而增大。     

翼身融合背撑发动机布局的动力短舱设计

为了解决翼身融合（BWB）背撑发动机布局的飞机-发动机流动干扰问题，依据BWB流场特征，提出背撑式动力短舱设计思想：采用轴对称短舱，结合可以减小短舱外部流动对机体影响的外罩型面和满足进气效率要求的进气道型面设计。基于本文构建的动力短舱参数化建模方法和多点优化设计方法，开展兼顾内外流的短舱综合优化设计研究，最后对设计方案安装状态流场进行分析。结果表明：提出的设计方法可以给出具有不同内外流气动特性、满足BWB背撑式发动机动力短舱多点设计要求的设计方案，巡航状态短舱外表面和全推力状态进气道最大马赫数最大可减小8.35%和11.81%，优化结果在最大推力和侧风起飞状态也具有良好的进气道性能；动力短舱安装状态消除了高速巡航飞行状态下短舱和机体之间的强激波和后体流动分离，低速大迎角状态机体外流能够为发动机提供均匀稳定的进气，进气道总压恢复系数满足设计要求。     

唇口几何参数对短舱进气道性能影响数值研究

针对下一代民用涡扇发动机短舱长径比不断缩小的发展趋势,为改善发动机进口气流参数分布不均、改善进气道的流场结构、提高其气动性能,开展了进气道唇口关键几何参数对短舱进气道流动特性影响的研究。通过CFD数值模拟方法研究了进气道收缩比、唇口超椭圆指数以及唇口超椭圆长短轴比对短舱进气道性能的影响。研究发现,这三个设计参数改变时,均会对进气道性能产生直接的影响,对畸变指数的影响最明显,其中收缩比改变的影响最大,当收缩比每改变0.025,畸变指数的变化率最大可达到50%。进口收缩比的改变影响喉道截面的流动,超椭圆指数变化影响了进口前缘曲率的变化,而超椭圆长短轴比变化影响了进气道唇口内型面的曲率;超椭圆长短轴比越大,超椭圆指数越小,收缩比越大,唇口初始压力损失越大,壁面摩擦损失越大,进气道总压恢复系数越低,畸变程度越高。     

碳氢燃料超燃冲压发动机进气道与燃烧室匹配性能试验研究

在模拟飞行马赫数Ma=6,高度25km条件的液体碳氢燃料超燃冲压发动机自由射流试验中,对比研究了4种不同进气道,不同燃烧室入口条件下模型发动机的点火与燃烧性能。试验结果表明几何内收缩比3的侧压式进气道的出口压强低而无法实现模型发动机的点火;进气道增加部分前体压缩,模型发动机则能够维持稳定燃烧,得到正推力;采用较高收缩比5.35的三维进气道的出口流场畸变程度较高,降低了隔离段抗反压的能力,会对燃烧性能产生很大影响,燃烧效率、发动机推力显著下降,甚至可能导致发动机熄火。不同长度的隔离段对比研究表明隔离段加长能够提高抗反压能力,有助于实现煤油分级燃烧,提高燃烧效率。     

大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析

为了评估民机低速带动力试验时进排气效应的影响,选取大涵道比发动机涡轮动力模拟器(TPS)短舱和真实发动机短舱作为研究对象,采用数值模拟方法对其起飞、进近状态的低速气动特性进行对比分析。结果表明:由于TPS流量低于真实发动机需求,其唇口、外罩流场特征和真实发动机短舱有所不同,阻力特性也有差别;在进气道处于亚临界状态时,TPS短舱阻力系数比真实短舱大了约1.7个阻力单位,又由于唇口当地气流攻角更大,使得TPS短舱失速攻角相对降低了约1.0°;当进气道工作于超临界状态时,TPS短舱虽然也可以反映真实短舱的流动特性,但由于捕获流管收缩情况和气流驻点随攻角的变化,使得在0°~20°攻角时TPS短舱的阻力系数高于真实短舱,而在20°~30°攻角时其阻力系数略低,差量最大约为1.8个阻力单位。对于研究的大涵道比发动机,未经唇口及外罩修正的TPS短舱其低速气动特性基本可以反映真实进排气效应的影响,但在气动特性分析中可以考虑进一步修正进气效应的影响。     

空气进气畸变指数对固冲补燃室燃烧性能的影响

本文探讨了空气进气畸变指数对双水平进气布局固体火箭冲压发动机补燃室的性能影响.由于在不同工作姿态下,固体火箭冲压发动机进气道出口截面的流场结构不同,设计对应不同进气道流场结构的空气进气畸变模拟装置.根据进气畸变图谱形状和畸变指数两个重要因素进行方案设计,并采用数值计算的方法,对不同空气畸变图谱、进气堵塞比的补燃室掺混燃...     

一种可变流量系数的通气短舱匹配方法

要获得与动力短舱流量系数（MFR）一致的通气短舱,可在飞机气动设计和风洞试验过程中使用通气短舱（TFN）代替动力短舱（PN）模拟发动机短舱效应和短舱进气,以简化设计流程和降低试验成本。在研究流量系数变化对短舱和进气道气动特性影响时,需要匹配多种不同流量系数的通气短舱方案,本文在保持短舱外罩和进气道外形不变的条件下,在短舱内增加锥形堵块,通过调整堵锥的位置可快速获得不同流量系数的通气短舱,相较传统设计通气内涵匹配流量系数的方式效率更高。应用所提出的思路设计的独立通气短舱风洞试验方案得到了验证,实测流量系数与设计值吻合良好,证明了方法的可行性。     

进排气对尾吊短舱布局飞机气动特性影响研究

在尾吊短舱式布局飞机设计中,发动机进排气对其他部件的气动影响是需要关注的重要问题,为了全面研究发动机进气与喷流对全机气动特性的影响,在某尾吊舱短舱布局飞机巡航条件下(H=11 000m、Ma=0.78)对流场开展了数值仿真研究,重点分析了短舱通气模型与带进排气模型的全机升阻力特性及流场分布情况。计算结果表明:采用近距尾吊短舱布局的飞机,发动机进排气对全机气动特性的影响主要体现在短舱与机翼的气动干扰方面,在所研究的迎角范围内(-2°～8°),发动机进气所带来的抽吸作用改变了机翼及短舱表面的压力分布,使得机翼上表面的负压区面积增大、短舱上唇口激波强度减弱,导致全机升力系数增加、阻力系数减小、升阻比提高,但这一气动特性的改善趋势随着迎角的增大而逐渐减缓。     

低速风洞引射短舱动力模拟技术新进展

引射短舱可以模拟发动机短舱的喷流影响,并部分模拟进气影响,能用于研究发动机短舱与机翼及增升装置的气动干扰特性,且具有研制周期短、造价低等特点,是在风洞中开展飞机/发动机一体化设计研究的一种重要试验技术。本文介绍了气动中心低速所在引射短舱设计技术和试验技术方面的新进展。采用商业软件对引射短舱进行了三维流场数值模拟,获得了引射短舱性能和三维流场信息。对引射短舱内部流场进行了分析和研究,对引射喷嘴数量、位置进行了优化,增加了引射短舱的进气流量,改善了尾喷口流场均匀度,明显提高了引射短舱性能。发展了空气桥技术,采用有限元方法进行了优化设计,对空气桥和天平进行一体化设计,并进一步发展了空气桥影响修正技术,解决了供气管路对天平测力的影响问题。发展了高精度流量测量控制技术,采用了数字阀、流量控制单元、短舱内部测量耙等技术,提高了流量的控制测量精度及测量不确定度,流量控制精度达到了0.1%,流量测量不确定度达到了0.3%,引射短舱落压比控制精度优于0.01。研制了短舱移动支撑装置,能够实现引射短舱的独立支撑,并实现短舱前后和上下位置的变化,用于开展短舱位置优化研究。最后,介绍了引射短舱的地面性能测试及风洞试验应用,给出了性能测试与数值模拟的对比结果和典型的风洞试验结果,试验结果表明动力影响使得飞机0°迎角升力减小,升力线斜率增大,失速迎角推迟。     

采用新型基准流场的高超内收缩进气道试验研究

由于新型变中心体基准流场具有压缩效率高、反射激波弱的优点,采用该基准流场设计了矩形转圆形内收缩进气道,在设计点马赫数Ma=6.0进行了风洞试验研究。试验中得到了进气道压缩面的沿程压力分布、隔离段出口皮托压分布等参数。通过和数值模拟对比分析,结果表明：进气道外压段的压力分布明显具有先增大后减小的特征,内压段的压力分布具有两级爬升的特点,且压升较小,流场结构较好。由于内压段流场激波强度弱,进气道总压恢复系数较高,达0.518,并产生了52倍的增压比,其抗反压能力在144倍以上。试验研究表明,采用新型变中心体基准流场能改善矩形转圆形内收缩进气道的内压段流场及隔离段流场,并能有效提高进气道的总压恢复系数。     

翼吊短舱形式运输机进气道阻力特性分析方法研究

为了解决飞机/发动机一体化设计中进气道阻力确定的问题,以典型带动力装置运输机为研究对象,建立了其三维实体模型,开展了不同飞行高度、不同飞行马赫数及不同发动机状态的数值计算。根据计算结果,建立了进气系统阻力增量的确定方法,总结了附加前体力与短舱前罩力随捕获面积比、飞行高度、飞行马赫数的变化规律。结果表明:在AGARD-CP-150中的推力/阻力体系划分方法基础上,发动机状态及捕获面积比的改变会引起进气道阻力变化,飞行高度对短舱前罩力及附加前体力系数没有影响。     

采用新型基准流场的高超内收缩进气道试验研究简

 由于新型变中心体基准流场具有压缩效率高、反射激波弱的优点,采用该基准流场设计了矩形转圆形内收缩进气道,在设计点马赫数Ma=6.0进行了风洞试验研究。试验中得到了进气道压缩面的沿程压力分布、隔离段出口皮托压分布等参数。通过和数值模拟对比分析,结果表明：进气道外压段的压力分布明显具有先增大后减小的特征,内压段的压力分布具有两级爬升的特点,且压升较小,流场结构较好。由于内压段流场激波强度弱,进气道总压恢复系数较高,达0.518,并产生了52倍的增压比,其抗反压能力在144倍以上。试验研究表明,采用新型变中心体基准流场能改善矩形转圆形内收缩进气道的内压段流场及隔离段流场,并能有效提高进气道的总压恢复系数。     

微秒脉冲等离子体激励控制侧风条件下短舱流动分离实验研究

典型短舱进气道在侧风飞行条件下会发生流动分离,产生进气畸变,严重影响发动机性能。将等离子体流动控制技术用于短舱进气道侧风畸变控制,改善进气流场品质。采用纹影系统研究微秒脉冲介质阻挡放电(μs-DBD)等离子体激励器的激励特性,结果表明,任一脉冲周期的开始时刻激励流场产生半圆形冲击波,微秒脉冲通过对流场进行快速加热,能够产生冲击扰动效应,促进流动掺混。随后,采用总压探针对短舱进气道气动交界面处的总压损失情况进行测量,探究μs-DBD抑制侧风条件下短舱流动分离的规律。结果表明:μs-DBD激励能有效降低侧风条件下进气道分离流场的出口截面总压损失系数,缩小侧风分离区;流动控制效果随激励频率的增大而增强,当激励频率达到一定阈值后,流动分离得到完全控制;保持短舱进气道轴向与来流之间的夹角不变,在相同激励频率下,来流速度增大,流场分离程度减小,流动分离控制效果增强,分离流场得到完全控制所需的激励频率降低;探究不同激励器布局的控制效果,在相同来流参数和激励器参数下,展向布局激励效果优于流向布局激励。为进一步模拟真实发动机的影响,在短舱后部进行抽吸,短舱流通能力得到提升,流动分离减弱,但μs-DBD激励仍能对侧风流动分离进行有效控制,流动控制效果随激励频率的变化规律与无抽吸情况下相同。     

民用飞机进气道的侧风畸变研究

结合民用飞机动力装置/机体集成研究的具体需要,采用数值模拟方法对大涵道比涡扇发动机进气道的侧风畸变特性进行研究,给出了进气道在侧风条件下工作的流场特征,分析了导致侧风畸变的流动机理.研究结果表明:进气道的侧风畸变主要受到典型的气流分离与再附以及地面吸入涡等复杂流动现象的影响;当进气道内部气流出现分离时,侧风畸变会随侧风速度的增加而突然加剧;进气道在近地面工作状态,产生的地面吸入涡现象可能会使短舱的侧风容限明显降低.此外,侧风状态的进气畸变特性随着发动机流量的变化,进气道内部气流的分离与再附存在差别,这导致了进气畸变指数呈现迟滞变化.      

形面渐变内收缩进气道设计方法研究

对内收缩进气道的设计方法进行了改进,在原有方法中加入了形面渐变技术。内收缩进气道的基准流场采用变斜率母线内收缩锥形流场,相较于定斜率母线基准流场,能够在不降低增压比的条件下同时提高总压恢复和流动均匀性,有利于进气道性能提升。进气道唇口形状选用类椭圆形以提升进气道气动特性,应用形面渐变技术保证进气道与发动机入口的匹配。研究发现,平方融合函数P2能够较好的抑制形面渐变对进气道性能的不利影响。数值模拟结果表明,进气道在设计点工况下性能良好,出口流动均匀性较好。     

某型涡扇发动机扰流板进气总压畸变试验研究

在吊舱进口安装扰流板,试验研究某型涡扇发动机进口的总压畸变流场,得到了该型发动机若干状态下进气总压畸变的定量数据,研究了发动机工况、扰流板相对深度对吊舱进气段总压恢复系数、发动机进口各畸变指数的影响,确定了该型发动机进口综合压力畸变指数与进气段平均总压恢复系数的特性,为该型发动机的扰流板式空中逼喘试验和气动稳定性研究奠定了基础。     

侧风条件下短舱进气道地面涡数值模拟

为了研究起飞状态下进气道地面涡的形成与发展规律,针对缩比的短舱进气道模型进行了3维数值仿真,分析了来流速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的特点以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:侧风来流速度越低,越容易形成地面涡,随着侧风来流速度的增高,地面涡会消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,地面涡的环量越大;地面涡的形成会增大进气道出口截面的流场畸变程度,短舱进气道距地面高度对畸变的影响很小,畸变主要受侧风来流速度的影响。最后给出了侧风条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

尾吊发动机短舱的侧风进气道性能研究

为了评估不同侧风对短舱进气性能的影响,本文在计算流体动力学软件Fluent中对飞机的全机流场进行了数值模拟,着重考察了不同侧风对进气道出口的总压恢复系数及稳态周向畸变指数的影响情况。     

捕获型线对内转式进气道外压段几何与气动特性的影响

以直内收缩锥流场为基准流场，构建了一套内转式进气道外压段的设计与性能快速分析程序.进而以矩形捕获型线为例，研究了决定捕获型线形状、位置的3个参数(中心距、旋转角和宽高比)对进气道外压段几何与气动特性的影响，将捕获型线为矩形、带圆角矩形及圆形时的外压段进行了对比.结果表明:捕获面平均半径是可作为评价外压缩段设计的一个重要几何参数，平均半径越大，总压恢复系数越高；对于矩形捕获型线而言，当中心距增加时，前缘长度、弧长、湿润面积单调增加，外收缩比单调减小，而旋转角和宽高比对外压段几何参数的影响比较复杂；在矩形捕获型线的3个参数中，中心距对总压恢复系数的影响最显著.此外，当捕获型线的中心距与面积保持不变时，圆角半径对外压段几何与性能参数影响不大.      

旋转冲压增程弹进气道内流场旋流数计算

为了研究高速旋转对冲压增程弹进气道的影响,对零攻角下旋转弹丸进气道入口与出口旋流数进行了理论推导,得到了旋流数的解析计算式。为了检验理论分析各项假设的合理性,并对旋流数解析式的误差进行分析,使用数值模拟的方法对某双锥进气道的流场进行了计算。分析发现,冲压弹丸进气道前方来流旋流数很小,因此旋转对进气流量影响很小;理论解析式计算所得进气道出口旋流数比数值计算结果偏大,且背压越低偏差越大;普通旋转冲压弹丸进气道出口旋流数低于0.2,由于在此弱旋流进气条件下,固体燃料冲压发动机工作状态与直流进气状态接近,因此弹丸的旋转对冲压发动机工作影响较小。