反推气流对大涵道比涡扇发动机进口流场影响的数值模拟研究

以一架配装有叶栅式反推装置的四发飞机为研究对象,数值模拟了不同着陆滑跑速度下的反推气流全机扰流流场,分析了反推气流在机身附近分布随滑跑速度的变化特点,和对内、外侧发动机进口流场的影响。结果表明:随着着陆滑跑速度的减小,反推气流对机身周围的影响区域逐渐扩大。当滑跑速度小于0.10马赫(约122 km/h)时,内、外侧发动机均会吸入反推气流,在发动机进口形成总温、总压畸变。该型反推装置的临界使用速度约为122 km/h,在反推装置飞行试验设计时应着重在该速度附近验证反推装置与发动机的匹配性;发动机进口流场总温分布能反映出反推气流的重吸入特征,测量方案设计应重点考虑发动机进口温度场的测量。     

射流控制反推力装置流场数值研究

针对涵道比为8的涡扇发动机无阻流门叶栅式反推装置,利用CFD技术,计算分析了二次射流孔的位置、角度、孔数以及流量对反推力性能和外涵通道内流场流动特征的影响。计算结果表明:外涵流体与二次射流相互作用后,在二次射流下游产生了一个主涡和副涡,阻碍外涵气体向下游流动;射流孔位置对涡扇发动机的影响不仅体现在反推力效率,而且影响上游风扇后的气体压力不均匀度和背压;二次流射流角度对反推力性能的影响在诸多影响因素中占主导地位,存在一个最佳射流角度;二次流质量流量增加,反推力效率呈增加趋势;二次流入射孔的个数关系到相邻入射气流在周向的覆盖程度,从而影响反推效率;二次流射流位置、角度以及流量对反推性能的影响是相互耦合的,在反推力装置设计时需要综合考虑三者间的相互影响;在研究参数范围内,最佳的射流孔位置范围L=110mm~150mm,最佳射流角度α在10°~20°范围内。     

反推状态下大涵道比涡扇发动机气动稳定性预测与评估

为了预测与评估反推状态下,反推气流再吸入对大涵道比涡扇发动机气动稳定性的影响,采用反推气流扰流流场三维CFD数值模拟、发动机整机稳定性计算分析以及反推状态下发动机进气畸变台架试验相结合的方法,开展了反推气流对大涵道比涡扇发动机气动稳定性影响的研究。通过三维CFD数值模拟手段,捕获了反推状态下发动机进口流场的畸变程度。在此基础上,通过采用稳定性计算程序预测了发动机的气动稳定性,并进一步通过发动机台架试验,验证了预测结果。CFD计算结果表明,随着相对来流马赫数的减小,反推气流被发动机重新吸入的可能性不断增大,当相对来流马赫数减小到0.05时,外侧发动机进口的流场畸变情况变得最为严重。进气畸变情况下的整机稳定性计算分析以及发动机台架试验结果表明,在所考核的目标状态,若只存在因反推气流再吸入引起的进口流场畸变,是不会导致发动机失稳的。     

大涵道比涡扇发动机整机稳定边界预测方法

为了评估风扇/压气机在整机环境下的稳定边界,采用加源项的一维欧拉方程构建小扰动线性化的发动机整机控制方程组,建立了大涵道比涡扇发动机稳定性分析模型,利用李雅普诺夫稳定性理论,对其整机环境稳定边界进行了评估分析。计算结果表明,风扇/压气机在整机环境和单独部件环境下稳定边界存在差异。风扇整机环境稳定边界和部件环境稳定边界基本重合,整机环境稳定裕度略有减小;增压级整机环境稳定边界下移,可用稳定裕度减小;高压压气机随着换算转速降低整机环境稳定边界下移,稳定裕度减小。     

大涵道比涡扇发动机总压进气畸变数值模拟

基于数值缩放理念,以一台大涵道比涡扇发动机为研究载体,将三维彻体力模型与二维多子平行发动机模型进行有机结合,初步搭建了适用于分析复杂进气畸变对航空发动机整机流场特性影响的多维耦合计算模型。利用该多维耦合模型定量分析了稳态周向总压畸变及插板式总压畸变进气下发动机内部的流场特性。计算结果表明即便是进口单纯的方波周向总压畸变进气,在经过大涵道比风扇转子作用后在下游内外涵进口的畸变流场特征也将具有显著差异;在内涵进口形成的总压/总温复合畸变在四级增压级中均得到不同程度的衰减;插板式总压畸变进气下风扇转子进口近轮毂处受周向静压梯度驱动将产生一定程度旋流,并导致风扇转子出口轮毂处形成低压区。     

涡扇发动机动态过失速数值模拟

为模拟涡扇发动机的动态过失速过程,发展了一种二维非定常的数值计算方法,通过给定不同的发动机初始工作点和扰动,实现了对涡扇发动机进入、退出喘振和旋转失速过程的模拟。计算结果表明,发展的数值模拟方法能够反映出喘振和旋转失速的基本特征,可以预测喘振信号的振荡频率、强度,以及旋转失速团的传播频率和失速团沿发动机流路的发展;当旋转失速完全发展时,发动机内部各个位置处的失速团具有相同的周向传播频率,但是强度不同,发动机进、出口处的失速团信号最弱,压缩部件进口和低压涡轮出口处的失速团信号最强。     

进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性的影响

基于平行压气机原理,建立了进气畸变对大涵道比涡扇发动机稳定性影响的理论模型和计算分析方法,评估了总压畸变和总温畸变对某型大涵道比涡扇发动机稳定性的影响,获取了发动机的临界畸变指数和首发失稳级组.结果表明：总压畸变在风扇中衰减幅度最大,发动机在高转速下运行达到临界总压畸变值时,风扇率先失稳,在低转速下运行时为增压级率先失稳;总温畸变在高压压气机中衰减幅度最大,发动机在高转速运行达到临界总温畸变值时,高压压气机率先失稳,在低转速运行时为增压级率先失稳.     

大涵道比涡扇发动机关键技术

大涵道比涡扇发动机由于耗油率低、噪声小,被广泛用于大型民用和军用运输机,这种发动机既涉及到军用和民用发动机共用的基础技术,又各有关键技术和特有技术。目前,各国发动机制造商和飞机制造商正在制定各种研究计划．将大涵道比涡扇发动机推进到更高的水平,除了提高发动机的推力外,更多的注意力还将提高发动机的环保性。     

平面叶栅中冷气射流三维分离的数值模拟

为了研究冷气射流对平面叶栅气动特性的影响 ,采用三阶精度Godunov格式和B L湍流模型求解三维N S方程 ,对冷气孔处于气冷涡轮叶栅的轴向位置为 5mm ,10mm ,4 3mm和 5 0mm ,喷射角度分别为 3 0°,60°,90° ,12 0°条件下进行了 16组方案计算。结果表明 ,叶片前缘冷气孔角度对流场底影响较小。越接近叶片尾缘 ,冷气孔角度对流场的影响越明显     

民用大涵道比涡扇发动机动态性能模拟研究

介绍了适航条例对民用发动机动态性能的要求,并以完成初步方案设计的某民用大涵道比涡扇发动机为例,开展了民用大涵道比涡扇发动机动态性能模拟研究.研究了不同供油规律、不同转子转动惯量和飞机引气及功率提取对发动机加减速性能的影响.讨论了动态过程压缩部件工作线的偏移情况以及影响发动机动态过程的主要热效应现象,并采用相关文献的结论...     

抓斗式反推装置打开时反推性能参数计算

根据共形映射理论建立了抓斗式反推装置二维流动数学模型,得到抓斗式反推装置打开时反向气流喷射角ф与抓斗式反推装置几何参数间的关联关系.将该模型和涡扇发动机性能计算模型耦合,得到了抓斗式反推装置打开时反推参数的计算模型.以某型涡扇发动机为例,计算了着陆时反推气流角和反推装置几何参数,以及反推力随马赫数、发动机转速的变化关系,并与测量数据进行了对比分析.表明给出的抓斗式反推装置打开时反推性能计算模型具有较好的计算精度.      

着陆滑跑状态下的反推力装置重吸入特性数值模拟

对大涵道比涡扇发动机叶栅式反推力装置,利用CFD技术,展示了叶栅式反推力装置开启后的流场流动特征,计算分析了飞机着陆滑跑马赫数和侧风速度对发动机进气道重吸入特性的影响.结果表明:在无侧风影响时,进气道对反推力气流的重吸入现象随着滑跑马赫数的增加而逐渐减弱并消失,重吸入特征参数值随着滑跑马赫数的增加而减小并达到允许值,该临界滑跑马赫数为0.08;在侧风环境中,侧风使得反推力气流在发动机一侧进入发动机进气道,导致风扇进口截面的总温畸变增大,重吸入特征参数值随着侧风速度的增加而增大,侧风的存在使得反推力装置关闭的临界滑跑马赫数从不存在侧风时的0.08提高到0.12.      

叶栅式反推力装置开启过程的三维非稳态数值模拟与分析

针对涵道比为8的涡扇发动机叶栅式反推力装置,计算分析了反推力装置运动部件在不同运动控制规律下的开启过程对外涵流场、风扇背压、阻流门受力等影响。结果表明:在反推力装置开启过程总时间一定时,随着阻流门开始旋转的时间点向后推移,风扇背压的脉动强度增大,而阻流门受到的气动载荷会减小,存在折中的阻流门开始旋转时间点,即移动外罩开启1/3后阻流门开始旋转;开启反推力装置总时间变化对风扇背压脉动强度和阻流门受力的影响较小;紧急停飞状态下开启反推力装置,风扇背压脉动强度最大值达到20%,超过允许值,而阻流门所受到的最大气动载荷达到4500N,相当于正常开启反推力状态下的4倍以上。      

蚌壳式反推装置打开时反推性能参数计算

根据自由流线理论建立了蚌壳式反推装置二维流动数学模型,得到蚌壳式反推装置打开时反向气流偏转角 与蚌壳式反推装置几何参数间的关联关系。将该模型和涡扇发动机性能计算模型耦合,得到了蚌壳式反推装置打开时反推参数的计算模型。以某型涡扇发动机为例,计算了着陆时反推气流角和反推装置几何参数,以及反推力随马赫数、发动机转速的变化关系,并与测量数据进行了对比分析。表明本文给出的蚌壳式反推装置打开时反推性能计算模型具有较好的计算精度。     

反推气流对发动机进口流场影响的数值研究

通过求解三维雷诺平均的Navier-Stokes(N-S)方程,获得了某大型运输机降落滑跑过程中,在不同滑跑速度下的反推气流扰流流场细节.单台发动机反推气流扰流流场的计算结果表明,在任何状态下,反推气流都不会被发动机重新吸入.飞机/发动机一体化计算结果表明:随着相对来流马赫数的减小,反推气流被发动机重新吸入的可能性不断增大.当相对来流马赫数减小到0.1时,反推气流会被外侧发动机重新吸入,此时,发动机进口截面出现了明显的流场畸变,周向稳态总压畸变指数增加明显.当相对来流马赫数减小到0.05时,两台发动机都会吸入反推气流.当相对来流马赫数减小到0时,反推气流没有被重新吸入发动机,但是反推气流会干扰吸入发动机的自由流,降低自由流的总压,从而也会造成发动机进口的流场畸变.      

主要几何参数对叶栅式反推力装置性能的影响

选取等厚叶栅进行数值模拟,采用混合网格生成技术,研究叶栅进口气流角、过渡段半径、叶片上下端轴向间距、稠密度和出口气流角对空气流量和轴向反推力的影响.计算结果表明:进口气流角、过渡段半径和叶片上下端轴向间距对风扇气流能否顺利导入叶栅起重要作用;稠密度影响着叶栅的出口面积和导流性能;出口气流角是反推力装置设计的关键因素,对反推性能起着决定性的作用.      

新型无阻流板反推装置流场结构和影响参数研究

应用CFD数值模拟技术,分析了基于二次流喷射的无阻流板涡扇发动机反推控制机理,并详细分析了二次流喷射的压力、位置、角度及喷流缝宽度对流场结构和反推性能的影响。在计算模型中没有考虑反推导叶,为此,用与反推力成正比的参数,即反推质量流量比来衡量性能的优劣。计算结果表明:二次流喷射压力、位置和角度是影响反推性能的重要参数,并且在一定的风扇涵道流下,存在最佳的二次流喷射位置、角度和压力;而二次流喷射缝宽度在一定范围内对反推性能影响不大。     

着陆襟翼打开状态下抓斗式反推装置 三维流动数值模拟

基于求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes方程,数值模拟了着陆襟翼打开状态下抓斗式反推装置工作时流场分布特性.网格采用非结构化四面体与六面体混合分区生成技术,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型.结果表明,在计算滑跑速度范围内,反向排气流不会被进气道重新吸入;高温反向排气流会冲击到飞机吊挂及部分机翼,需引起注意;随着滑跑速度的降低,反向排气流侧向影响范围急剧增大,若机翼后掠角较大,则反向排气流容易被相邻发动机再次吸入,引起进气畸变;当滑跑速度降低到34m/s时,反向流开始吹向地面,可能会卷起地面颗粒物并且被进气道吸入;随着滑跑速度的降低,反推力减小.      

反推力装置运动学与动力学仿真

为了研究叶栅式反推力装置各部件在工作过程中的运动学与动力学特性,根据机构运动原理对反推力装置进行简化并建立了运动学与动力学数学模型。以滑动整流罩位移与阻流门所受气动负荷为输入进行运动学与动力学仿真,得到了反推力装置各部件的位移、速度及受力特性曲线,并对比分析了在不同尺寸参数下各部件特征点的运动轨迹和反推力装置负载力变化。结果表明:运动学及动力学仿真结果与工程实际相符;反推力装置机构参数选择不合理时,各设计点会发生干涉现象并导致机构无法运动;机构参数变化对负载力最大值影响尤为突出,在阻流门AC段长度值增大6%,阻流门CB段长度值减小9%的情况下,负载力正向最大值将增大19.53%,负向最大值增大12.67%。研究方法及研究结果可为反推力装置运动学及动力学分析,以及为反推力装置机构优化设计提供参考。