高空舱发动机进气道收缩曲线的仿真分析

窦立杨

摘 要：通过CFD模拟高空舱不同形式发动机进气道的气流流场，分析了不同收缩曲线下写上哪几种收缩曲线，流场的速度不均匀性、总压波动量、边界层厚度。模拟结果显示，同样进出口条件下，双三曲线形式的收缩段，边界层厚度最低，试验段核心气流更均匀，为高空舱收缩段选型提供了参考依据。

关键词：收缩段;收缩曲线;边界层;速度不均匀性;总压波动量

0引言

良好的气流品质对于高空舱模拟试验十分重要。发动机进气道是高空舱的重要部件，它的主要作用是不仅使来自前室的气流均匀加速，而且能提高试验段的气流品质，即改善流场的均匀性、稳定性，降低湍流度。发动机进气道设性能的优劣主要取决于两个因素：一是收缩比，二是收缩曲线。高空舱在流量测量段进行流量测量，进行调试时需对进气道的附面层进行测量、修正，再进行流量的标定。因此，边界层厚度也是发动机进气道形式选择的必要考虑因素之一。

本文在发动机进气道的进出口径、长度、收缩比一定的情况下，通过仿真实验对比分析了四种收缩曲线的边界层厚度、速度不均匀度、总压波动量。模拟实验结果显示，双三曲线形式的收缩段，边界层厚度最低，试验段核心气流更均匀，这一结论可以为后续实际应用提供参考。

1收缩曲线选型

目前高空舱发动机进气道型式主要有维氏曲线、双三曲线、五次曲线以及双扭曲线，分别可表示为：

（1）维辛斯基曲线

公式如下：

式中： Hi为收缩段进口截面半径，H0为出口截面半径，h为轴向距离为x处的截面高度，a =           ，L为收缩段长度。

（2）双三次曲线

公式如下：

（3）五次方曲线

公式如下：

其中，η=-10ε3+15ε4-6ε5，ε=x/L。公式（1）-（3）中 Hi表示收缩段进口截面半径，H0为出口截面半径，h为轴向距离为x处的截面高度，a = √3L，L为收缩段长度。

双扭线型面

公式如下：

（x2+y2 ）2=a2 （x2-y2 ）

ρ2=a2  cos2θ

2几何模型

以维辛斯基、双三次和五次曲线为气动轮廓，建立收缩段二维模型，收缩段入口直径R为9.5m，出口直径r为民机流量管直径3.4m，总长L=24m;收缩曲线前长度为3.9m，为最后整流网距收缩曲线的距离;收缩曲线轴线长度6.5m。为简化模型，取1/4二维模型，做轴对称设置，如下图所示。

3數值模拟计算

3.1控制方程

本文所研究收缩段最大设计风速为100m/s，不考虑气体压缩性。

质量守恒方程为

式中，ρ是流体密度，t是时间，u，v，w是速度矢量在x，y，z方向的分量。

动量守恒方程表示如下

式中，                                                                                               ，ˉu是速度矢量，u是速度矢量ˉu在x方向的分量，τxx和τyx是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性盈利分量，Fx是微元体上的体力。本文需要就边界层厚度进行对比论述收缩段型式的优劣，因此我们利用低雷诺数模型进行模拟。综合考虑，本文中的模拟计算选用SST计算模型，根据经验，此模型y+≤2时计算结果更为准确。

3.2计算域及边界条件

计算域以高空舱稳定段出口为入口条件，收缩段出口下游13.6m处为出口条件。由于所计算区域具有轴对称属性，同时也为了减少网格数，节省计算机资源，选取1/4二维模型进行流场模拟。

3.3网格划分

网格划分是在ICEM中进行的。为了保证更好的网格质量，以及更方便控制壁面第一层网格高度，采用的是结构化网格的划分方式。

第一层壁面网格高度为0.1mm时，Y+接近1。各模型的Y+如下表所示。

4 结论

选取四种收缩曲线形式，进行了收缩段的数值模拟工作，并对结果进行了分析，得出了一下结论：

（1）双扭曲线形式收缩段出口下游边界层厚度最小，但是出口气流的速度均匀性及稳定性方面的性能最差;

（2）维辛斯基曲线形式收缩段的出口气流速度均匀性及稳定性均不及双三曲线及五次曲线;

（3）双三曲线及五次曲线形式收缩段，无论在出口气流均匀性及稳定性方面，还是在出口下游边界层厚度方面，性能都最优，也最接近;

因此，综合来看，五次曲线和双三曲线作为高空舱收缩段的收缩曲线最为想。