航空发动机气动附加阻力修正方法研究
2016-11-02邓江流朱允龙
邓江流 朱允龙
摘要：本文通过研究经典控制体划分方法，在保留两种方法优点的同时针对其缺点进行了改进，形成一种基于截面划法的改进方法。改进的截面划分方法基于流体力学中流管的概念，推力修正公式的推导思路与经典划分方法里的截面法相同，其几何参数运用数值模拟结果和实验数据计算而得，并用数值模拟结果进行验证。本文在理论研究的基础上，首先根据三种控制体划分方法所需的参数制定试验方案，然后试验后将试验数据进行处理得到推力修正比例。最后，对每种推力修正方法进行了不确定度评定，分析了每个修正项的不确定占总不确定的比例，并对测量方法提出相应要求，并将三种修正方法进行比较，从降低不确定度的角度给测量及控制体改进提出合理建议。
关键词：推力修正；控制体划分；数值模拟
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0175-05
随着我国国防事业的发展，以航空、航天、航海为核心的各项科研项目不断发展。发动机作为飞机的心脏，其设计、制造、安装、投入使用都对航空事业发展起着至关重要的作用，推力是航空发动机的最重要参数之一，推力的准确测量对于发动机的研制试验具有重要意义。航空发动机试车台校准规范GJB721-89规定，用露天基准试车台或经露天基准试车台校准的室内试车台，通过标准发动机对其他各类型试车台进行校准，以确定被校试车台的试车台修正值或修正系数[1]。
早在20世纪60年代，航空发动机室内试车的推力修正问题就引起了航空发达国家的重视，并且对此问题用气动附加阻力修正和交叉试车两种方法同时进行研究。在气动附加阻力修正上，英国R&R公司研究时间较早，从理论推导到现场测试都提出了较为明确的方法，并发表了两篇较为全面和有代表性的欧洲专利，该专利描述了一种将室内试车台推力修正到标准状态推力的方法，该方法主要通过测量试车间的流场状况，利用测得的流场数据，通过空气动力学的基本原理进行分析计算各项修正量的大小[2]。气动附加阻力修正中的理论推导部分，R&R公司的两篇专利在理论部分采用的是基于流线划分的控制体，对控制体运用了动量定理进行推力修正公式的推导，最终推导出的修正项为进气冲量阻力、导流盆推力、唇口卷边推力、支架阻力和底部阻力五项。在国内，关于航空发动机气动附加阻力修正的相关工作还没有系统的开展过，但是在发动机的引进、研制过程中，零星开展过一些相关的研究，包括发动机试车间流场参数的测试、不同台架之间的比对等，我国主要有过三次和发动机大国的合作。
由于国内外在气动附加阻力的理论研究上不统一，产生测量方案各有不同，国内各研究所气动附加阻力修正的结果不一致性较高，因此本文用数值仿真技术进行辅助对整个气动附加阻力修正工作的各个环节进行了深入研究，使测量更方便、更准确，气动阻力修正方法更严谨、更科学。
1 气动附加阻力修正的经典控制体理论研究
目前，国内外有两种经典的控制体划分方法，其中一种为流线划分方法，另一种为截面划分方法。下面运用两种划分方法详细地推导了它们的推力修正公式，分析它们的优缺点，为进一步通过改进控制体划分提高推力修正精度的工作打好基础。
1.1流线划分方法理论研究
流线划分方法中控制体的细节如图1所示，远前方0截面选取在发动机远前方气流速度稳定、均匀的区域，9截面选取在发动机尾喷管端面处，选取的控制体是从0截面起流管（虚线所示）和发动机外表面所围体积到9截面终止。
流管内所有流体均流入发动机进气道，流管的边界线定义为流入发动机进气道的最外围流体的流线，即在流线上的质点速度与流线在该点的切线方向一致，该流线上没有流体进出。如此则有流体进出的截面只有0截面和9截面，其余界面只有力的作用而没有流体质量、动量交换。
1.2推力修正公式推导
从理论上讲，截面划分方法中，前后两个控制体的控制面基本为固体表面容易界定，有动量交换的控制面少，有利于推力修正公式的推导。所有控制面上的受力性质和情况清楚，控制体受力情况容易分析。
结合实际测量方案来说，截面划分方法中，控制体0截面同流线法一样选取在发动机进气道远前方气流速度稳定区域，避免了在发动机进气道前气流扰动较大区域的测量，对于求解最主要的修正项进气冲量阻力，测量集中于0截面和1截面两个测量面内，减少了测量面的布置数量，有效地避开了对唇口附近复杂流动的研究问题。只要0截面和1截面通过测量以及数据处理等方法能够得到真正需要的气流参数，就可以准确地确定进气冲量阻力[4]。但是，截面划分方法在具备上述优势时同时也给测试工作带来了一些不利因素。这些不利因素主要集中在确定进气冲量阻力的工作上。进气冲量阻力的公式中，所有参数都是在假设气动参数均匀的情况下确定出来的，但在真实的试车间内由于各种因素的影响基本上不存在一个完全均匀的平面提供我们测量。对于某固定的测量截面，减少流场不均匀给测量造成的影响可以从完善布点方案和数据平均处理两方面考虑，但无论哪一种都不能完全消除这种影响。在截面法中，0截面处由于面积较大，有面积乘积分项的误差直接成倍数扩大，同时由于测点不能在大面积平面中密布流场参数不均匀给测量造成影响也较大。而且由于发动机对气流的卷吸作用，在1截面处气流速度变化梯度很大，大面积的不均匀会给推力修正带来较大的误差。
2 改进的截面法控制体理论研究
由于经典的控制体划分方法在理论和测量方面都存在着一些问题，所以本课题在研究的过程中始终力求能有新的突破，建立新型控制体，使之既具备经典控制体的优点同时又有效地避开不足之处，并用新型控制体划分方法运用于推力修正过程以检验其效果和可行性。
2.1 截面划分法改进的整体思路和原则
由以上分析知，流线法和截面法共同的优点就是存在动量交换现象的控制面仅有两个，而且控制面上气流速度方向确定动量交换量容易测量计算得出，然而，这两种方法各自都有不利于推力修正的缺点。因此，流线划分方法的思路可以有效地解决减少控制面上存在动量变化的问题，改进截面法的过程中是很有必要借鉴的。本文中截面划分法改进的整体思路是在控制体划分方面借鉴流线的划分方法，这样既减少存在动量交换的控制面，又缩小了测量截面的面积降低了参数不均匀对推力修正的影响。
具体地，尽量减小流管直径主要是为了改善截面法测量截面面积较大的问题，当流管入口截面积减小，流管入口这个控制面就处在进入试车间气流的中心流速区域。在这个区域内流动参数是相对均匀的，能尽量吻合截面均匀这个假设，同时对测量也是很有利的。在求解进气冲量阻力时，同时减小了有面积乘积分项的误差和计算控制体流通流量。用数值模拟的结果来验证新划分方法的合理性，切面的表示名称如图3所示。图4所示的平面是过试车间轴线的垂直纵切面，可以看出试车间顶部由于天车的作用，在高度10m到12m的范围内出现了速度变化比较剧烈的现象，这部分区域速度变化范围0到6m/s。再如图5所示的过轴线的水平纵切面，在靠近试车间壁面的部分同样出现了速度变化梯度大的现象。所以，在划分新的控制体时将变化剧烈的部分排除在控制体外是正确且有必要的，这样做自然会使推力修正的精度提高[5]。
2.2 改进的截面划分法进气道附加阻力推导及方法误差的评估
新型控制体的研究方法是根据截面法的推导思路，首先把0截面到1截面之间的控制体重新划分求得进气冲量阻力，改进的截面法推力修正公式的推导与截面法相同此处不再赘述，直接给出推力修正公式：
经过计算1截面处流管的直径减小到9.1m，在1截面的速度和压力分布云图上画出流管所在的区域如图7所示。在速度云图上可以看出，流管内的速度在4m/s到8m/s的范围内，由于气流流经可移动支架速度和方向都会有变化，支架附近速度波动是较大的但是这种波动在比较小的范围内[6]。综上，计算出的流管符合了流管选取的第二个条件将壁面附近流体参数变化较大的区域划在控制面以外。
综上所示，本章所述的由截面法改进而来的控制体，在具备截面法优点的同时又借鉴了流线划分法的思路将截面法的不足之处加以改进，从而提高了截面划分法的测量精度，降低了测量的不确定度。
3 试验方案及数据处理方法
3.1 试验方案总体设计
本期试验主要对试车间流场的整体情况进行测试，根据上述测试内容，本期试验采用移动测量方式，总体测试系统包括移动支架测试系统、气路测试系统、数据采集及处理系统及尾喷测试系统，总体测试系统图如图8所示。
3.2 实验数据处理
推力修正试验测量参数多、采集数据量大，数据处理是一个相对繁琐的问题。由于试车间内流场分布不均匀，在面积较大的截面上布置的测点较大，同时采集的数据就较多，首先要将推力修正所需的参数进行分类，再根据不同的类型选择数据处理的方法。用于推力修正的参数包括两大类，一类是积分型的参数，例如试车间内总流量、发动机尾喷管处的底部阻力等，一类是某测量截面上的平均化的参数，例如远前方的速度、静压等。对于积分型的参数可采用大致三种方法：分割求和法、加权平均法、拟合积分法。
3.2.1 远前方截面数据处理方法
3.2.2 尾喷管表面数据处理方法
由表3可知，按照方法误差百分比为3%改进的截面法中，对整个推力修正量不确定度影响最大的依然是进气道附加阻力，其余修正项评定的不确定度均小于
参考文献：
[1] Neil Parfitt， Maurice Bristow.Derivation of Aerodynamic Thrust Correction for An Indoor Gas Turbine Engine Test Facility Using the “First Principle” Anemometer Method.
[2] Neil Parfitt， Maurice Bristow.Derivation of Aerodynamic Thrust Correction for An Indoor Gas Turbine Engine Test Facility Using the “First Principle” Anemometer Method[A].25th International Congress of the Aeronatical Science，2006.
[3] 郭昕，刘涛，文刚.航空发动机试车台附加阻力修正方法[J].航空动力学报，2003，18（6）：839-844.
[4] 刘涛，王惠儒.在高空台上测定发动机外流附加阻力的方法[J].燃气轮机试验与研究，2000，14（1）：52-55.
[5] 陈颖才.提高航空发动机推力测量精度的途径[J].航空标准化与质量，1986（6）：46-49.
[6] 王新月.气体动力学基础[M].西安：西北工业大学出版社，2006.
