无人直升机混合管局部混合间隙对排气引射性能的影响研究

郭弈 李松松

无人直升机动力舱通风冷却系统通常采用排气引射器作为动力源，将周围环境冷空气抽吸到动力舱内以带走发动机、附件等散发的热量。在无人直升机排气系统设计中，混合间隙是影响排气引射性能的重要因素，排气引射器引射流体主要依靠自由混合层发展所引起流动的卷吸作用，而混合间隙是直接控制自由混合层发展的尺度，因此混合间隙对排气系统设计至关重要。某些型号无人直升机的排气系统，受到发动机排气管形状及安装位置限制等因素，主喷管和排气管间隙并不一定为均匀间隙。本文针对无人直升机混合管局部混合间隙变化而引起的超温问题，通过计算分析，研究在不同的局部混合间隙下，流体自由混合层在混合管出口壁面的附着情况，得到局部混合间隙对无人直升机排气引射性能的影响规律，设计出排气系统最佳局部混合间隙，保证动力舱通风冷却的效果。

计算模型和方法

本文针对无人直升机的混合管局部混合间隙，对混合管、发动机、动力舱及全机身进行一体化建模，如图1所示。模型坐标系与无人直升机坐标系一致，航向为负X方向。计算时不考虑外界气流的影响，外流场计算域以无人直升机动力舱为中心进行建模，外流场计算域尺寸为15m×10m×17m。

动力舱内部发动机建模时需进行简化，主要考虑发动机本体及其附件，忽略管路、电缆等对动力舱通风冷却的影响，并认为动力舱壁面不存在缝隙。排气管及混合管结构如图2所示，排气管构型不变，改变混合管底部的结构，进而改变混合管局部混合间隙。

在计算过程中，考虑到动力舱的复杂型面结构，采用非结构网格，并在发动机排气管出口、进气格栅入口局部加密。无人直升机处于悬停状态，排气管进口采用质量流量进口边界条件，流量为2.021kg/s，温度为970K；外流场区域设为压力出口边界条件，温度为环境温度323K，压力为101325Pa。计算中采用Standard k-ε湍流模型；动量控制方程采用一阶迎风格式、能量控制方程采用二阶迎风格式，压力和速度耦合采用SIMPLEC算法。在三位直角坐标系中，其通用形式如下：

计算方案

为研究局部混合间隙对无人直升机排气引射性能的影响规律，本文通过改变混合管的局部混合间隙，如图3所示。开展了一系列数值计算，表1给出了不同局部混合间隙的计算方案。

计算结果与分析

各方案动力舱内流线分布图如图4所示。从进气格栅进入动力舱的气流分为3股：第一股气流从格栅中部进入动力舱后，顺着格栅倾斜的方向到动力舱平台，而后沿着发动机表面环绕向前流动，最后通过混合管流出动力舱；第二股气流从格栅左边缘进入动力舱后，达到动力平台后，向后流动，随后流到进气道顶部后，與第一股气流汇聚，环绕发动机表面向前流动；第三股气流从进气格栅右边缘流入动力舱，到达动力平台后，向前流动，之后从后墙折返由混合管流出动力舱。

各方案动力舱内温度分布图如图5所示。混合管局部混合间隙变化，会影响动力舱内发动机各附件表面最高温度，如表2所示。表2中方案1和方案3的N2转速传感器处于超温状态，方案2的通风冷却效果最优。

引射比与混合管局部混合间隙之间的变化关系如图6所示。从图中可知，在确定的发动机排气管构型下，引射比随混合管局部混合间隙的增大而先增大后减小，结合表2中各方案的通风冷却效果，方案2的引射比最佳。

结论

本文针对无人直升机的混合管局部混合间隙进行了混合管、发动机、动力舱及全机身的一体化建模及仿真计算，研究了无人直升机混合管局部混合间隙对排气引射性能的影响，通过分析，可得到以下结论：

（1）在确定的发动机排气管构型下，引射比随混合管局部混合间隙的增大而先增大后减小。

（2）本文计算分析得到的规律，可为无人直升机混合管局部混合间隙的设计提供参考。