尾吊布局民用飞机发动机侧风进气流场CFD数值模拟与分析

马建等

【摘 要】对尾吊布局的民用飞机，发动机安装环境对发动机进气影响相比翼吊飞机要大，机上安装环境下的发动机侧风地面试验，在某些风向的强侧风下，发动机会发生喘振、熄火等异常情况，由于测压耙的压力测点少而分散，试验中无法实时分析数据，在试验中肉眼无法看到气流在进气道内部及附近的变化，在试验中往往需要重复进行多个来流方向和多种侧风强度下的试验。采用CFD进行数值模拟，可以定性的分析在装机环境下的侧风在发动机进气道附近的流场变化，对试验有一定的借鉴作用，可以避免试验的盲目性。

【关键词】尾吊布局；民用飞机侧风试验；进气道CFD

0 概述

在民用飞机中，进气口既属于发动机的进气部件，又属于飞机结构的一部分，在发动机和飞机的适航规定中均有与进气道相关的适航条列，由于发动机和飞机都包含了进气道相关内容，因此导致进气道设计成为了中间地带。发动机的侧风试验就是为了验证在机上安装条件下进气道与发动机的兼容性工作特性。对于发动机尾吊布局的民用飞机，发动机进气道距离机身很近，进气道前方靠近机翼翼根，在这种布局下，发动机进气容易收到机翼扰流影响，飞机大的侧风情况下、大攻角或大偏航角的变化会造成进气道入口的流场畸变，导致发动机的性能受到影响，严重情况下甚至会导致发动机失速。

发动机装机后，飞机完成首飞，首先会进入工程研发试验，发动机装机下的进气道兼容性试验便是其中一项，试验中测试发动机在各种风向和风速下的响应，监测发动机喘振和振动情况，试验后需要分析试验中发动机各个工作参数，综合试验结果确定出发动机在机上安装环境下的地面工作侧风边界。

1 机上安装环境下发动机进气条件CFD模拟

对尾吊布局的民用飞机，机上安装环境下的发动机侧风地面试验，在某些风向的强侧风下，发动机会发生喘振、熄火等异常情况，由于测压耙的测量点较少，测点也较为分散，试验数据需要在试验后才能处理和分析，试验中无法实时看到进气道流场的变化，通过这些压力数据有时难以捕捉到到，在试验中肉眼无法看到气流在进气道的变化，无法分析气流流动机理及其对发动机的影响恶劣程度，在试验中往往需要进行多个来流方向和多种侧风强度下的反复试验。采用CFD进行数值模拟，模拟不同发动机工作状态，不同侧风条件下的发动机入口流场，可以定性的分析在装机环境下的侧风在发动机附近的流场变化，对试验有一定的借鉴作用，可以避免试验的盲目性和重复性。

2 模型处理

进行侧风条件下CFD计算的对象为翼吊布局飞机的全机外形，为了简化计算模型，对机翼的增升装置以及起落架进行了简化处理，对发动机短舱也进行了简化处理。

3 网格划分

为了得到高质量的计算网格，把计算区域划分为远场计算域和近场计算域，如图1上图所示，远场计算域为半径300m的半球，网格为高质量的六面体结构化网格，数量约为30万，内部计算域为半径30m的半球，采用四面体非结构化网格，网格数量为600万。整个计算域是模拟飞机在地面上试车的情形。图1下图 给出了飞机整机以及发动机短舱处的网格，在发动机短舱处网格进行了局部加密。

4 流体数学模型和边界条件设置

考虑到发动机在100%风扇转速的设计工况下，进气速度以及排气速度较高，可以认为是可压缩流动的，所以流体介质选用理想气体，连续性方程和动量方程对流项的离散先采用低阶精度格式，等收敛后再采用高精度格式，当最大残差在1×10-4以下时可以认为计算收敛。参考压力为一个大气压，远场边界设定为开放性边界，根据计算工况的不同，根据侧风方向设定来流方向，发动机进口边界条件设定流速、温度和气流方向，出口设定流量出口。

通过文献的推荐，同时考虑到计算资源的利用和计算时间，本文选用标准k-ε模型结合壁面函数的方法来求解粘性湍流问题。k-ε模型以其简单、计算精度较高而广泛应用于各种湍流研究中。该模型同时建立起湍流粘度与湍流动能及其耗散率之间的关联。模拟计算的控制方程是质量守恒定律（连续性方程）、动量守恒定律（Navier-Stokes方程）、能量守恒定律（能量方程）等。

5 进气畸变分析方法

对于计算结果，可以发现，在不同来流速度、不同来流方向以及不同发动机流量下，发动机的入口会出现不同程度的畸变，为了进一步详细地说明这种变化特征，选取周向进气畸变系数（IDC，Circumferential Inlet distortion），以及径向进气畸变系数（IDR， Radial Inlet Distortion）对其进行描述。

IDC 与IDR 是发动机公司专门用来统计进气道畸变的一种参数，畸变测试由位于风扇叶片前方的8 爪耙形状的测试仪器进行测试（大约在进口和风扇之间中间的位置）。每个耙子上面都分布有多个用于流场测试的探针。最大进气畸变系数（IDC max）的数据由这些耙子获取。IDC max 等同于侧风测试中的IDC tip。进气畸变系数由进口处径向和周向位置的当地压力差决定。这些压力差同进口面的平均压力相互作用共同决定进口压力的畸变特性。

每个环形面的周向进气畸变系数由以下公式定义：

周向畸变效应表示为最大周向畸变的方程函数式，如下所示：

IDCmax=Max（IDCK），K=1，2…

同样的，发动机进口径向进气畸变（IDR， Radial Inlet Distortion）公式定义：

周向畸变效应表示为最大周向畸变的方程函数式，如下所示：

IDRmax=Max（IDRK），K=1，2…

在数据处理中，IDC和IDR选取在测试耙的位置。

6 进气畸变侧风流场结果分析

不同来流情况下（风向/风速）发动机进口流场的变化：

计算设置好后，对自然风的风速、风向等来流情况的变化，进行了模拟，风向选取了0°、90°、180°及270°，风速选取了13m/s（25.3 节）的风速。下面就风速风向变化带来的影响进行了分析。

图2给出了13m/s，4种来流情况下的发动机入口及出口附近的流线图。在0°时，气流顺着发动机流入流出，靠近发动机短舱是加速，左右发动机的流动特征对称。90°来流情况和270°来流情况刚好相反，90°来流时，右发和左发的进气情况完全不同，左发的进气更加紊乱，吸入了大量从机身上下面上流过的气流，这样会造成左发进气不均匀。180°来流时，自然气流流过发动机附近时被卷吸进短舱。

由流线图3可以看到：图3中左上角无侧风情况下，气流平稳的进入发动机；图3中左下图尾风情况下，气流从发动机后部吸入发动机；图3中右侧气流经过机身背部后被吸入进气道，进气道入口前的气流较为混乱，相对来流方向，机身背侧的发动机进气条件更加恶劣，存在漩涡，这种进气条件容易造成发动机喘振。因此试验中需要多验证侧风条件下背风一侧的发动机进气兼容性，这种情况下更严酷，需要着重关注。

由计算结果可以看出：在相同来流方向，不同来流速度以及不同发动机流量情况下，速度分布趋势基本一致。IDC与IDR的比较上，由计算结果可以看出IDC左发与右发的趋势比较接近，IDR的左右发略有差距，但总体保持一致。

7 结论

尾吊布局民机发动机大侧风试验是验证机上安装环境下的进气道和发动机兼容性的试验，是民机特情试飞的重要试飞科目之一，试验对气象要求搞，难度大，通过CFD模拟可对尾吊布局民机发动机进气畸变研发试飞和适航取证试飞起到参考作用。

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[责任编辑：汤静]