尾吊发动机短舱的侧风进气道性能研究

肖 毅，胡志东，曾平君，李 广

(航空工业洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

中小型公务机/通勤飞机大多数采用尾吊发动机短舱布局形式，其进气道的设计必须在各种可能出现的飞行条件下满足发动机的空气流量及进气品质要求[1]。进气道出口总压恢复系数及稳态周向畸变指数是评价进气性能与品质的重要指标，对发动机工作的经济性、安全性有直接影响，其中侧风是影响进气道性能的因素之一[2]。前期国内对进气道性能的研究主要集中在无人机进气道及进气道与飞机一体化研究方面[3-6]，与侧风相关的研究尚不多见。国外学者从20世纪初便开始对侧风条件下的进气道性能开展各类研究，Tourrette基于Navier-Stokes方程对进气道侧风性能进行了数值模拟研究，并与试验结果进行了对比分析[7]；2007年，Colin着重研究了侧风所产生的进气畸变问题，对比多种湍流模型后，建立了一种高效、准确的数值模拟方法[8]。随着国产大飞机项目的不断推进，近年来，国内民机大侧风相关研究也得到了长足的发展，2015年，刘凯礼等对民用飞机进气道的侧风畸变进行了数值模拟研究，给出了进气道侧风条件下工作的流场特性，分析了导致侧风畸变的流动机理[9]；与此同时，中国飞行试验研究院的张海妮等对民用飞机大侧风起降试飞关键技术进行了研究，提出了将飞机的理论抗侧风量换算至全重量范围内的方法[10]。

根据民用飞机适航规章要求，飞机在起降状态下进气道应在至少10.29m/s(20节)侧风条件下满足发动机进气品质要求，本文选取了一种典型的尾吊发动机短舱式布局的飞机，对不同侧风条件下的进气道性能进行了数值模拟，分析了大侧风条件下的进气道流场特性，着重对进气道出口的总压恢复系数及稳态周向畸变指数进行了研究，为后续的进气道风洞试验等工作提供支撑。

1 计算模型及网格

本文的研究对象——全机示意图如图1所示，该飞机采用高升阻比超临界翼型、大展弦比下单翼、高置T型平尾，以短舱形式尾吊两台涡轮风扇发动机，短舱与机身通过挂架相连接。为保证进气道在机翼下洗场中，唇口基本对准来流方向以提高巡航时的进气效率，给予短舱在俯仰方向2°的抬头安装角；为了减小偏航力矩及底部阻力，降低单发停车状态下方向舵的操作力，给予短舱偏航方向3°的外偏安装角。

图1 全机示意图

本文的计算模型在网格生成软件ICEM中划分四面体网格（见图2），为了更加准确地捕捉全机的流场分布特性，采用类似于密度核的方式对飞机附近区域进行局部网格加密处理；为了准确捕捉进气道的流场分布特性，进气道内划分了附面层网格，第一层网格高度为0.01mm，总层数15层，y+值在1～5范围内；总的计算网格数在700万左右。

图2 网格划分示意图

2 计算方法概述

本文的数值模拟在计算流体动力学软件Fluent中进行。将流场边界设置为速度入口条件；将进气道出口设置为压力出口条件，通过改变反压的大小调节空气流量来模拟不同发动机状态；采用有限体积法求解Navier-Stokes方程；使用二阶迎风格式对时间和空间项进行离散；采用可实现的k-ε(realizable k-ε)湍流模型对流动进行计算，该模型将湍动粘度与应变率联系起来，使得流动更加符合湍流的物理定律，适合于对射流、边界层流动、有分离流动等进行计算[11]。本文中飞机起降状态的来流条件为：H=0km、V∞=68.06m/s(M=0.2)、α=8°，发动机状态为慢车及最大状态，不同的侧风条件为：Vcr=0m/s、7.72m/s(15 节)、10.29m/s(20节)、15.43m/s(30节)。流场的控制方程如式中所示：

式中，div⇀a=∂ax/∂x+∂ay/∂y+∂az/∂z，grad(a)=∂a/∂x+∂a/∂y+∂a/∂z， 符号 Su、Sv 和 Sw是动量守恒方程的广义源项，T为温度，k为流体的传热系数，Cp为比热容，ST为粘性耗散项，R为摩尔气体常数。

本文的进气道性能评价指标为进气道出口总压恢复系数及稳态周向畸变指数，其中总压恢复系数的定义如下：

其中 p0，ex为进气道出口气流平 均总压 ，p0，∞为自由来流总压。

稳态周向畸变指数主要用来评价进气道流场的不均匀度，定义如下：

其中，σ0的取值与试验方法一致，将进气道出口截面按等面积方法划分成若干区域，取若干区域内最小的总压值进行计算。

3 计算结果分析

3.1 进气道性能随侧风变化规律

如图3所示，从计算结果来看，在飞机起降过程中，短舱式进气道的总压恢复系数较高，基本都在0.99以上，流场分布相对均匀，稳态周向畸变指数很小，远在发动机的可承受范围之内；对比慢车及最大状态可以发现，随着发动机空气流量的增大，进气道总压损失增加，流场变得更加不均匀，进气道性能降低；同一发动机状态下，随着侧风的逐渐增大，进气道出口总压恢复系数逐渐减小，流场畸变增大，进气性能呈降低趋势，这一规律在发动机空气流量较大的最大状态下，表现尤为突出；下文将对进气道出口及短舱中心截面的流场特性进行详细分析，阐明影响进气道性能随侧风变化规律的原因。

图3 进气道性能随侧风变化规律

3.2 进气道出口流场特性

如图4(a)所示，在慢车状态、无侧风条件下，进气道出口总压损失较小且分布均匀，由于气流与壁面之间的摩擦损失，在近壁面处有面积较小的环形低总压区，由于短舱在俯仰方向存在2°的抬头安装角，进气道出口下方的总压损失相对更大；随着侧风的逐渐增大，相当于来流与短舱之间出现了不同大小的侧滑角，进气道出口的总压损失增加，流场的总压分布不均匀度逐渐增大；由于短舱在偏航方向存在3°的外偏安装角，在来流和侧风的综合作用下，进气道出口的右下方会存在一定程度的遮挡，造成总压损失相对更大，因此高总压区出现在进气道出口的左上方。

如图5所示，与慢车状态相比，在发动机最大状态下，由于空气流量的显著增大，进气道内流速增加，气流之间以及气流与壁面之间的摩擦损失增大，近壁面处的总压损失明显增加，总压恢复系数有所降低，稳态周向畸变指数更大；与慢车状态类似，在15.43m/s的侧风条件下，由于短舱在偏航方向存在3°的外偏安装角，在来流和侧风的综合作用下，高总压区同样出现在进气道出口的左上方。

图4 慢车状态下进气道出口总压分布云图

3.3 短舱中心截面流场特性

短舱XOY截面的速度分布如图6所示，气流经过机翼后有明显的下洗趋势，但在接近短舱时基本能平直地对准进气道入口，气流不出现明显拐折是这类进气道总压损失普遍较小的重要原因；即便是在小流量的慢车状态下，进气道出口的流速也会大于来流速度，驻点出现在进气道前缘点的内唇口附近，靠近进气道出口即发动机入口的流动较为均匀，在来流迎角的作用下，进气道下方的低速流动面积分布更大，导致进气道下方的总压损失更大；对比图6(a)与图6(b)可以发现，当侧风增大时，流场内来流速度也随之增大，进气道外唇口的流动加速现象更加明显，而进气道内唇口上下方位的低速流动区域将有所扩展，使得进气道性能有所降低。

图5 最大状态下进气道出口总压分布云图

图6 慢车状态下短舱XOY截面速度云图

图7 慢车状态下短舱XOZ截面速度云图

短舱XOZ截面的速度分布如图7所示，由于机身的阻挡以及发动机的抽吸作用，从流线上看，在靠近短舱附近，侧风所带来的侧滑作用已经得到了很大程度的减弱；但从速度云图来看，在侧风的作用下，由于短舱在偏航方向存在3°的外偏安装角，图6(b)中进气道下方的低速流动区域逐渐扩展，导致进气道出口在同一方位的总压损失将有所增加。

图8 最大状态下短舱XOZ截面速度云图

如图8所示，与慢车状态相比，在发动机最大状态下，进气道内的流速明显增大，低速来流在接近短舱是先加速后减速进入发动机内，驻点出现在进气道前缘点的外唇口附近，由于空气流量的显著增大，进气道内唇口附近出现了加速区域；与慢车状态类似，在侧风的作用下，进气道下方的低速流动区域逐渐扩展，导致进气道出口在同一方位总压损失有所增加。

4 结论

在来流与侧风的综合作用下，进气道损失会有所增加，流场畸变增大，性能有所降低；从计算结果来看，无论是发动机慢车还是最大状态，短舱式进气道的性能普遍较高，即便是在30节的侧风条件下，进气道出口的流场畸变也不会显著增加，仍然在发动机的可承受范围之内。