涡桨飞机发动机进气道排除异物特性数值研究

2020-05-06王利敏张彦军米百刚杨梅花

航空工程进展 2020年2期

王利敏，张彦军，米百刚，杨梅花

(1.航空工业第一飞机设计研究院总体气动所，西安 710089) (2.清华大学航天航空学院，北京 100084) (3.北京金风科创风电设备有限公司，北京 100176)

0 引言

航空科学技术的发展对新型飞行器的性能要求越来越高。能够适应各种各样的飞行环境，在恶劣的飞行条件下仍可保持较好的性能是其中的一个重要方面。民用飞机和军用飞机对该指标的标准和考核要求存在差异，对于民用航空领域的涡桨支线飞机，该指标的一个体现方面是飞机具有在外来异物的影响下保持要求的飞行性能。因此，必须在飞机设计的初始阶段考虑外来物的影响。

目前，涡桨支线客机应用较多，比如我国的新舟系列飞机、ATR公司的涡桨客机系列以及庞巴迪公司的Q系列飞机等，这些涡桨客机以高性价比得到广泛关注，并获得大量应用。随着我国通用航空产业的发展，对涡桨支线客机的需求必将急剧增加。

新一代国产涡桨飞机使用的发动机进气道形式与常规涡桨发动机存在较大不同[1-3]。为了防止外来异物被吸入进气道进入发动机，导致发动机性能下降或者停车，从而威胁飞行安全，在进气道内增设外来物排除装置，称为旁通道。该通道的设计目的是期望超过发动机吞咽极限的异物能够在气流的作用下进入该通道排出，从而减小对发动机性能的影响，保证安全性，也能够满足飞机在恶劣环境下飞行时的动力需求。

带有旁通道的进气道构型出现在20世纪80年代初，是一种较为新型的进气道形式，目前国外也只有Q-8等少数飞机使用。我国在20世纪90年代初引进普惠的发动机为运7换发时曾经做过一些试验研究[4]，但是由于技术封锁，很难掌握详细的设计分析方法[5]。

尽管如此，与该研究相关的一些外来物的研究开展相对较多。国外，M.Papadakis等[6]建立了四自由度轨迹分析代码，研究了三维均匀流场中方形冰块的运动轨迹，并对其落点进行了概率分析；G.S.Baruzzi等[7]开展了六自由度冰块的运动轨迹研究，并利用大量实验获取轨迹仿真中所需要的气动力数据；H.Kim等[8]基于DYNA3D开发了冰雹的第一个数值计算模型。国内，李玉龙等[9]、王计真等[10]通过建立鸟炮装置，使用明胶代替飞鸟，详细研究了鸟撞飞机部件的结构破坏情况，为飞机的结构设计提供了翔实的参考；刁斌等[11]、朱书华等[12]、杨立文等[13]、李旦等[14]、王文智等[15]、陈佳慧等[16]、施萌等[17]分别通过数值模拟手段，对鸟撞现象中的发动机叶片损失进行详细评估并与试验进行了对比分析。可以看出，国内外的研究多集中在结构方面，只关注异物与飞机部件发生碰撞的瞬时过程，而对异物在撞向飞机的过程中对飞机气动性能的影响鲜少涉及，因此很难分析得到外来异物的运动轨迹，从而无法进一步分析进气道的效能和旁通道的设计合理性。

本文针对国产新型涡桨飞机进气道-旁通道设计分析技术开展研究，将CFD和六自由度方法耦合，率先开展外来异物进入进气道的运动轨迹计算分析，并耦合冲击动力学方法，对运动中可能发生的碰撞现象进行探索分析，初步建立涡桨飞机进气道排除外来异物的数值模拟方法。

1 计算模型

本文选取某型国产新型涡桨支线飞机主发动机短舱进气道作为研究对象。根据设计需求，位于进气道末端的旁通道必须排除超过发动机吞咽极限的各种外来异物，防止其进入压气机进气道内部，影响发动机性能，威胁飞行安全。该发动机短舱模型如图1所示。

图1 计算短舱模型Fig.1 Computational nacelle model

2 基于适航规范的外来异物属性分析

涡桨飞机实际飞行中可能遇到的外来异物种类较多，比如在简易跑道上起降时，砂石有可能被吸入发动机；在高空飞行时，有可能遇到飞鸟；气温变化较大时，有可能遇到冰雹和结冰现象。这些外来异物均可能对飞行产生影响，其中，以冰雹和结冰现象的威胁最大，因此本文重点对冰雹和结冰现象的影响进行研究，这也是涡桨发动机供应商重点考虑的因素。

涡桨支线客机需要面向民用航空领域，因此需要根据适航规范，结合各类国标首先确定外来物特性。

2.1 冰雹

根据适航规范[18]，冰雹数量与发动机的进气道面积有关，对于进气道面积大于0.064 m2(100 in2)的发动机，每0.096 8 m2(150 in2)的进气道面积或其余数，为1颗25 mm(1 in)直径和1颗50 mm(2 in)直径的冰雹。根据该规范，本文的计算模型需要布置2颗20 mm和2颗50 mm直径的冰雹，等距分布，并且为了考虑冰雹的位置影响，分别计算唇口上、中、下位置的冰雹排除特性，如图2所示。

图2 冰雹分布Fig.2 Hails located in the engine inlet

实际飞行中冰雹相对飞机具有水平和垂直的下落速度，垂直下落速度可以根据适航规范由式(1)确定。

(1)

式中：ρa为空气密度；CD为阻力系数。

水平方向的速度是随着距离飞机进气道的距离不同而发生变化的。当距离较远时，进气道内流场对冰雹的水平干扰较小，相对速度可认为是飞机的飞行马赫数；当距离较近时，水平方向的速度受到唇口处的内流影响。为了全面研究该影响，水平方向的速度取飞行速度和内流速度两个极值。

2.2 冰块

与冰雹不同，冰块主要是发动机唇口或者内部区域在环境剧烈变化时产生的异物，因此其初始运动状态与飞机一致。冰块相对于飞机初始速度为0，当脱落后，在气流的冲刷下局部翘起、折断、脱落后运动。发动机进气系统的结冰，指的是进气道前缘、锥形整流罩、支柱以及第一级压气机前导流叶片等处的结冰[19-20]。本文重点考虑从唇口以及进气道内部结冰区脱落的冰块，因为这部分冰块对进气道的影响最大。

根据适航规范，发动机的吞冰试验仅考虑一个冰块，形状主要为混合冰，结合某型国产涡桨支线飞机发动机的排异能力实际和吞冰试验的尺寸规范，冰块的尺寸选定为最大排异尺寸。冰块的脱落位置选为唇口上下左右以及进气道下壁面结冰区域；同时，冰块在脱落后会受力翘起一定角度，目前并没有对冰块初始姿态的准确研究，本文设定冰块初始翘起角度为30°，主要是模拟大翘起角度下受气流冲击力较大情形时的冰块运动现象。因此，选定的冰块计算模型如图3～图4所示。

图3 唇口周围的冰块Fig.3 Ice cubes around the engine inlet

图4 进气道下壁面结冰区冰块Fig.4 Ice cube near the lower wall in engine inlet

3 外来异物在进气道中运动过程的数值仿真方法

3.1 基本步骤

无论是冰雹还是冰块，在进入进气道之后，都会在进气道内流的作用下进行运动，可以借助计算流体力学(CFD)计算联合六自由度(6DOF)方法求解得到异物的运动轨迹。需要注意的是，由于计算状态的不同，异物在受力运动之后，有可能会发生与壁面的碰撞或者异物之间的碰撞，此时，需要进一步耦合冲击动力学方法开展异物的碰撞分析。总体来看，对于冰雹或者冰块的排除，数值模拟时可以分为以下步骤：

一是使用CFD联合6DOF求解非定常运动，实时计算异物与壁面、异物之间的最小距离；

二是当异物与异物之间或者异物与壁面之间距离不断减小，并且小于设定的阈值(d=0.1 mm)时，认为碰撞发生，此时调用冲击动力学程序处理碰撞。

计算结果的判定方法为：①若没有碰撞直接进入旁通道，认为异物排除，而直接进入主发动机，则可能严重威胁飞行安全；②发生碰撞则判定碰撞后的尺寸形状，如果远小于排异能力，认为即使进入主发动机也不会有严重影响，计算结束；如果碰撞后尺寸较大，则继续计算。

总体的方法如图5所示。

图5 计算流程图Fig.5 Simulation flow chart

3.2 仿真中的计算方法

根据外来物的排除数值计算过程，使用的方法包括CFD方法、六自由度方程以及冲击碰撞模拟。

(1) CFD方法

本文的分析方法需要大量的动态非定常计算，因此CFD计算基于三维非定常欧拉方程，不考虑粘性的影响，其控制方程为

(2)

(2) 6DOF仿真

使用六自由度方程来计算随气流运动的冰块的位移以及绕着重心的角速度。Fluent软件中内置了相应的六自由度模块，惯性坐标系下的绕着重心的控制方程为

(3)

物体的角运动可以使用物体坐标计算得到

(4)

式中：L为惯性张量；MB为物体力矩向量；ωB为刚体角速度向量。

力矩通过式(5)从惯性到体坐标转换得到

MB=RMG

(5)

式中：R为转换矩阵，其形式为

(6)

式中：Cχ=cos(χ)；Sχ=sin(χ)；φ、θ、ψ分别为欧拉角。

(3) 碰撞仿真

碰撞的仿真分析基于FE有限元模型，该方法是求解连续介质力学问题的典型方法，可以重现高速撞击下的物体行为。网格建立在物体上，当物体发生大的变形时，网格也发生变化。

3.3 仿真计算中的边界条件设置

流体仿真分析时，使用的边界条件包括远场、壁面以及压力出口。压力出口边界设置在发动机进气道出口位置，通过调节出口压力的变化，可以迭代修正得到满足发动机质量流量要求的计算工况。碰撞分析时，需要定义物体的材料属性、接触碰撞面、载荷以及约束条件等。需要注意的是，根据结冰的条件等，冰的属性非常多，并且每一种属性的冰，其碰撞结果都不相同，要全部模拟该形式计算量巨大，本文仅使用常见的一种属性参数来构建冰雹以及冰块排出的数值模拟方法[21-22]。

4 涡桨飞机进气道排异特性仿真结果及分析

4.1 冰雹排除特性分析

冰雹存在时的计算网格如图6所示，全部使用非结构网格，总网格量350万，使用动态网格重构技术来模拟冰雹的实时运动，同时实时监控其运动轨迹。

(a) 表面网格1

(b) 表面网格2图6 冰雹排除计算网格Fig.6 Computational grids in hail exclusion

该发动机的计算工况如表1所示，根据本文建立的外来物排除计算方法得到的结果为：四颗冰雹均与进气道壁面发生碰撞。

表1 冰雹排除计算工况

所有的计算工况下，四颗冰雹均与壁面发生了碰撞，并未发生没有碰撞直接进入主发动机或者旁通道的现象。由于质量特性的不同，碰撞发生的先后顺序也存在差异。整个过程为冰雹在初始速度下向发动机进气道内部运动，同时气流的作用力改变了其三向运动速度和三轴转动速度，其运动轨迹也随之变化。当冰雹向着壁面运动并且最小间距小于设定的阈值时，调用LS-DYNA软件计算碰撞过程。

其中一个状态的碰撞发生后的仿真结果如图7所示，可以看出：碰撞之后冰雹碎裂成若干个小冰块，这些小冰块的最大体积远小于发动机的排异尺寸，并且碰撞完成后，整个冰雹的动能损失极大，碰完的小碎块反弹速度很小，多数沿着壁面向进气道内部滑向旁通道区域。因此，对于冰雹进入进气道的情形，运动过程实际上应该是：运动-碰撞-破碎-排除，即使是碰撞完的碎片进入主发动机，也因尺寸远小于吞咽极限而不会对压气机系统造成明显影响，因此该工况下的冰雹异物对发动机安全性的影响不大。

(a) 冰雹初始位置

(b) 冰雹撞击位置

(d) 冰雹撞击结束

(e) 撞击过程法向速度变化

(f) 撞击过程能量损失图7 冰雹排除计算结果(唇口中部)Fig.7 Exclusion results of hail located in middle of engine inlet

4.2 冰块排除特性分析

冰块的计算工况与冰雹一致，其计算网格同样采用非结构动态网格重构，网格量约为400万，如图8所示。

(a) 唇口上部冰块计算网格

(b) 下壁面结冰区冰块计算网格图8 计算网格Fig.8 Computation grids of hail

各个工况下的计算结果如表2所示，可以看出：当冰块位于唇口周围时，在所有的计算工况下唇口周围上下左右部分的冰块最终都与进气道壁面发生了碰撞。

表2 冰块排除结果

H=6 000 m，Ma=0.527，攻角和侧滑角均为0°时的唇口下部冰块的计算结果如图9所示。冰块不同于冰雹，它没有初始速度，即相对发动机的初始速度为0，之后在气流的作用下，承受三轴力和力矩，开始进行运动，姿态也随之发生变化，最终当冰块与壁面之间的距离不断减小并小于设定的阈值时，认为碰撞发生，调用LS-DYNA进行碰撞分析。