变循环发动机前涵道引射器简化模型实验与仿真研究

以典型前涵道引射器基本构型与气动参数为基础,开展了前涵道引射器简化模型实验研究。通过实验与仿真相结合的方法,研究了变循环发动机在单、双涵道模式下前涵道引射器的气动性能以及不同核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage,CDFS）旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响,得到了流量比、压比对前涵道引射器气动性能的影响规律。结果表明,在单涵道模式下,仿真得到的沿程截面的总压分布与实验结果非常吻合,CDFS旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响可以忽略,而出口总压恢复系数随CDFS旁路喉道马赫数增加而降低。在双涵道模式下,SST k-ω模型能够较好地模拟气流的掺混过程,但在出口总压分布上,实验结果更加均匀;CDFS旁路出口角度对两股气流的掺混影响较小;压比一定时,出口总压恢复系数随出口背压的增加先增加后降低;压比为1.35时,流量比变化1.1,总压恢复系数的变化量约为2.6%,压比为1.19时,流量比变化1.2,总压恢复系数的变化量约为0.46%。     

非轴对称前涵道引射器性能的数值研究

以轴对称前涵道引射器为基础,提出了一种非轴对称前涵道引射器方案。为了比较非轴对称和轴对称前涵道引射器在热混合效率,引射系数和总压恢复方面的不同,采用数值模拟的方法对不同掺混角度和进出口压比的模型进行了计算,并得到引射器的性能参数变化规律。结果表明,在开口面积不变的情况下,增大气流的掺混角度会使前涵道引射器的热混合效率降低,总压恢复系数减小,引射系数也有较大的减小;在亚临界时,随着进出口压比的增大,引射器的热混合效率和总压恢复系数逐渐变大,引射系数则会减小,并且相同条件下,非轴对称前涵道引射器与轴对称前涵道引射器相比,热混合效率提高,总压恢复系数和引射系数分别会减小大约2%和20%。     

进口速度畸变以及涵道比对波瓣混合器性能影响的试验研究

为了研究不同进口速度畸变以及涵道比对波瓣混合器性能的影响规律,以带进口畸变孔板的双涵道全环轴对称加力模型试验件为研究对象,采用五孔探针配合三维位移机构测量了不同涵道比下波瓣混合器后的三维流场。试验研究表明:随着波瓣混合器出口距离的增加,内外涵掺混速度先升高后降低,总压恢复系数逐渐降低,混合效率和推力增益逐渐升高;随着混合器涵道比的增加,流向涡及低温区域范围增大,混合均匀性下降,混合效率和总压恢复系数均降低;进口畸变峰值在上方时,气流加速掺混对推力增益有益,总压恢复系数更高,小涵道比混合效率更高;进口畸变峰值在下方时,扩压段壁面静压和中心锥锥体静压均较高。     

前可变面积涵道引射器特性的试验与数值模拟

为了研究主、次流的进口总压比及出口背压对前可变面积涵道引射器(FVABI)工作特性的影响与流动掺混机理,采用试验与三维数值模拟方法对不同进口总压比下引射器工作性能及掺混流场随背压变化规律进行了分析。结果表明:标准k -ε模型用于引射器掺混流场的模拟具有较好的准确性;进口总压比越大,引射器总压损失越大;进口总压比不变,随背压增加,引射器总压损失先减小后增加;进口总压比不变,引射器在背压变化过程中存在总压损失最小点;背压减小时,引射器存在临界工况点,且进口总压比越大达到临界工况点的背压越大,可变涵道比的范围变窄;主、次流掺混过程主要集中在沿气流方向上x/l=03~06位置之间,在黏性力作用下动量、质量充分交换,沿流向截面速度径向分布趋于均匀。     

外涵调节对中介机匣性能影响的试验研究

以涡扇发动机中介机匣为研究对象,采用插入式堵塞调节环作为外涵调节装置,开展了不同外涵堵塞比下中介机匣性能的试验研究,分析了外涵调节对中介机匣进出口总压恢复系数、支板尾迹和涵道比的影响。结果表明:随着外涵流量的降低,外涵气体流动损失与附面层效应所占压力损失比重逐渐减小,而调节环对外涵流场的扰动造成的压力损失所占比重逐渐增加;堵塞调节环对内涵压力分布与压力损失基本无影响;堵塞调节环实现外涵流量与涵道比调节的同时,也改变了外涵压力的径向分布;由于堵塞调节环的影响,支板尾迹无法单纯地反映支板后径向压力的分布;几何涵道比大于0.388时,进口马赫数增大,外涵流量比重减小;几何涵道比小于0.243时,进口马赫数增大,外涵流量比重增大。     

可变面积涵道引射器对变循环发动机性能影响

分析了变循环发动机前、后涵道引射器的几何调节方式,建立了变循环发动机稳态及过渡态数学模型,并考虑了前涵道引射器和模态选择阀门由于面积突变引起的局部总压损失,模拟了变循环发动机单外涵模式、双外涵模式及模态转换过渡态过程中,前、后涵道引射器面积对发动机性能和稳定性的影响,并与NASA试验数据进行了对比.结果表明：单外涵模式,放大前涵道引射器内涵进口面积会减小变循环发动机的回流裕度,但可增大风扇和核心驱动风扇级的喘振裕度;在由单外涵模式过渡至双外涵模式的模态转换后期,减小后涵道引射器外涵进口面积可减缓风扇压比的下降;建议前涵道引射器选择总面积保持不变而内涵进口面积改变,后涵道引射器选择内涵进口面积保持不变而外涵进口面积改变的调节方式.     

波瓣高宽比对波瓣强迫混合排气系统性能影响

在保证波瓣强迫混合排气系统内外涵流道面积不变的情况下,建立了某型涡扇发动机不同波瓣高宽比波瓣强迫混合排气系统的几何模型,基于Navier-Stokes方程进行了数值模拟研究,得到了波瓣强迫混合排气系统中,在涵道比和内外涵面积不变的条件下,波瓣高宽比对波瓣强迫混合排气系统的流场、热混合效率、总压恢复系数和推力系数的影响规律.结果表明:当涵道比不变时,在波瓣高宽比为2~4.5的变化范围内,在排气系统出口处,混合效率随波瓣高宽比的增加呈现出增大-减小-增大的趋势,其中波瓣高宽比为3和3.21分别为曲线的两个拐点.而随着波瓣高宽比的增加,总压恢复系数、推力系数均不断减小.      

变循环发动机建模方法研究及验证

研究了变循环发动机(VCE)关键部件建模技术.采用叶尖叶根分段建模技术建立了两段风扇的数学模型,使之更适用于VCE.基于流场分析,建立了活门开度、外涵道进口总压、动压与外涵道总压恢复系数之间的智能映射,完善了外涵道模型.建立了VCE部件共同工作方程,获得了VCE部件级数学模型.基于欧洲空间与推进系统仿真数据库进行设计点计算,并开展了仿真验证.仿真结果表明:建立的数学模型表现出的工作性能与实际发动机实验结果一致,在低马赫数下双外涵道模式推力更大、耗油率更低;相反在高马赫数下单外涵道模式推力及耗油率优于双外涵模式,验证了所采用建模方法的有效性.      

变循环发动机双外涵匹配研究

针对带核心机驱动风扇的双外涵变循环发动机,提出了1种用于双外涵匹配分析的数值模拟方法。利用计算流体力学Fluent软件对其初步流路进行了研究及优化,在此基础上对双外涵模式流场、不同前涵道引射器状态下的单外涵模式流场进行分析。结果表明:第1外涵道的角度和流通面积对总压恢复系数的影响较大;在由双外涵模式转换到单外涵模式过程中,应将前可变面积涵道引射器开到最大以减小总压损失。该方法能够有效地应用于双外涵变循环发动机流路优化及双外涵匹配分析,为变循环技术的深入研究提供参考。     

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.