新型無阻流板反推裝置流場結構和影響參數研究

王占學，傅鵬哲，劉春陽

（西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安 710072）

1 引言

傳統(tǒng)的實現反推力的方法主要是機械式，包括抓斗式、葉柵式和折流板式[1-5]。這幾類機械式結構存在短艙質量明顯增加，機械運動部件增多，對密封性要求較高等缺點。為了突破傳統(tǒng)技術的約束，國外眾多研究機構有意識地吸收在流體力學領域所取得的技術成果，提出了流體反推力方法，即基于二次流噴射的流體反推力技術，其基本思想就是利用高壓二次流以一定的角度向風扇涵道流中噴射，改變風扇涵道流流動方向，使氣流偏轉進入反推窗口，通過反推導向葉片，使偏轉的氣流逆向（向前）流動從而產生反推力。由于二次流是從高壓核心流中引出，因此它不僅實現了風扇涵道流的偏轉，而且還有效地減小了核心流的推力，使系統(tǒng)效率有所改善。與機械式反推技術相比，流體反推力技術大幅減輕了反推裝置的質量，明顯降低了作動機構的復雜性，并且對內流無干擾，反推效率明顯提高。隨著飛機對降低機械復雜性、降低質量、減小短艙阻力要求的不斷提高，流體反推力控制技術將是未來大型運輸機發(fā)展的主流方向[6,7]。

本文利用CFD技術，借鑒文獻【8、9】給出的方法和幾何構型，數值模擬了基于二次流噴射的無阻流板反推力裝置的內部流場。通過對流場結構的詳細分析，闡述了其產生反推力的機理，得到了反推性能參數（通過反推質量流量比表示）隨二次流噴射壓力、噴射位置、噴射角度及噴射縫等二次流氣動幾何參數的變化規(guī)律。

2 數值計算模型

2.1 幾何構型

反推裝置構型如圖 1所示[8，9]，該模型是基于CFM56-2發(fā)動機的1/10縮比模型。圖中曲線A-B代表風扇涵道下壁面，C-J'代表風扇涵道上壁面，E-J'代表機艙外表面，F'-G'-I'-H'-F'表示在外涵上壁面和機艙表面反推窗口的邊界，而J'點代表整流罩的后緣位置。氣流邊界被限制在A－B、CF'、F'－G'、G'－E、H'－J'、J'－I'、I'－H'，而 G、I、K 以上的水平部分為遠場邊界。

圖1 反退裝置幾何構型/cm

2.2 計算方法

略去質量力，不考慮化學反應，在直角坐標系下，理想氣體的二維雷諾平均N-S方程為：

式中：U=（ρ，ρu，ρν，e）-1；E 為對流項通量；Eν、Fν為黏性通量。

采用Jameson等人發(fā)展的變步長4階Runge-Kutta方法進行時間推進求解，對流項采用2階迎風格式離散求解，黏性項采用中心差分格式。湍流模型選用經過RNG理論修正的k-ε模型。采用該數值離散格式和湍流模型的大膨脹比噴管流場計算和實驗參數的對比參見文獻【10、11】，可以看到，計算和實驗數據相當吻合。

（1）計算邊界

對于遠場邊界，以AE截面為參照，來流取5倍以上的AE長度；對于出口邊界，以H'J'為參考，使下游J'D的長度大于0.5倍的H'J'；而對于風扇來流邊界，以反推窗口尺寸為參考，使CF'的長度等于2倍的反推窗口長度。

（2）邊界條件

風扇主流壓力入口邊界條件、二次射流壓力入口邊界條件、自由來流壓力入口邊界條件、壓力出口邊界條件、壓力遠場邊界條件及壁面邊界條件。計算模型中的每1邊界條件的具體確定方法如圖2所示。

圖2 邊界條件的確定

（3）計算網格

結構化H形網格，采用分區(qū)對接技術生成，在壁面附近加密，靠近壁面處y+值不大于3。

2.3 二次射流對反推力影響的評價標準

由于沒有考慮反推導流葉片的影響，因此不能采用反推效率來評價不同參數組合時的反推效果。但有實驗表明，在反推質量流量達到最大時，可獲得最大的反推效率[8]，因此以風扇質量流量為基準，定義通過反推窗口偏轉的氣流質量流量比（CFR）和二次射流質量流量比（JFR）來判定二次射流對產生反推力的影響。需要指出的是，當大部分風扇氣流被偏轉時，通過反推窗口的氣流質量流量是這部分風扇氣流質量流量和二次射流質量流量的和，因此反推質量流量比可能大于100%。

3 數值計算結果和分析

3.1 計算條件

為了研究基于二次流噴射的渦扇發(fā)動機的反推控制機理，并詳細分析影響反推力大小的因素，計算了不同二次流壓比Pjet/Pa（二次流與風扇主流壓力比）、不同二次流噴射位置Xjet、不同二次流噴射角度αjet（二次射流方向與逆風扇氣流方向的夾角），以及不同二次流噴射縫寬度D對反推力的影響。其中，二次流壓比為Pjet/Pa為 1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、7.0；二次流噴射位置 Xjet為 25.4、44.45和 63.5 mm；二次流噴射角度αjet為15°、20°、30°、45°、60°、70°、80°、90°；二次流噴射縫寬度D為1.0668和0.508mm。

所有狀態(tài)下的風扇涵道流、自由流和二次流均為空氣，風扇涵道流和自由流參數保持不變。

3.2 二次流噴射壓比的影響

不同的二次流壓比對反推性能影響的數值模擬結果如圖3所示。其中，Xjet=44.45mm、αjet=70°、D=1.0668 mm。從圖 3（a）可以看出，雖然此時沒有二次流噴射，但通過反推窗口向外偏轉的涵道流仍可達到28.3%，這主要是因為涵道流壓力明顯高于自由流壓力，這二者之間存在的壓力差迫使一部分的風扇氣流向反推窗口偏轉。從圖 3（b）～（f）可見，二次流壓比增大，二次流量增加，壓力和流量的增加都會使二次流產生的分離區(qū)擴大，偏轉的風扇涵道流流量逐步增大，反推窗口后機艙外表面的分離區(qū)減小。當二次流質量流量比達到8.8%時，反推窗口飽和，也就是全部的風扇涵道流都通過反推窗口流出。此時，再增加二次流壓比對反推窗口的質量流量幾乎沒有影響，因為這時反推窗口中的氣流是所有風扇涵道流和二次流的總和，在反推窗口飽和后，反推窗口中質量流量的變化僅由二次流流量的變化引起。

圖3 二次流壓比對流場結構的影響

二次流壓比對反推質量流量比的影響如圖4所示。從圖中可以看出，隨著二次流壓比增大，反推質量流量比增大，產生的反推力也相應增大。由Xjet=44.45 mm對應的曲線可以看出，在反推質量流量比大于100%后，再增加時，其變化不大，這與前面的流場分析相符，即存在最佳的二次流壓比。

圖4 二次流壓比對反推質量流量比的影響

3.3 二次流噴射位置的影響

選取Xjet分別為25.4、44.45和63.5 mm3個二次流噴射位置，其他條件（如 αjet=70°、Pjet/Pa=3.5、D=1.0668mm）保持不變。

圖5 二次流噴射位置對流場結構的影響

從流場數值模擬結果（如圖5所示）可以看出，射流位置在靠近前端（25.4 mm）時，由于外涵道上壁面與二次射流位置的距離較近，因此在二次射流試圖迫使風扇氣流轉移入反推窗口時，外涵道上壁面給偏轉氣流1個較大的阻力，使得在相同二次噴射流量下，偏轉的風扇涵道流減少，若使大部分風扇涵道流發(fā)生偏轉，所需的二次流流量會明顯增大。二次流噴射位置靠近后端（63.5 mm）處時，由于二次射流位置偏后，二次流噴射產生的分離區(qū)位置偏后。另外，由于下游的外涵道上壁面的阻礙作用，分離區(qū)也較小，二者同時導致風扇涵道流偏轉角度變小，最終的結果是在相同的二次流量下只能使較少部分的風扇涵道流發(fā)生偏轉。當二次射流位置在反推窗口中心偏上游（44.45 mm）時，全部風扇涵道流都發(fā)生偏轉，并通過反推窗口流出。

二次流噴射位置對反推質量流量比的影響如圖6所示。從圖中可以看出，二次射流位置在反推窗口中心偏上游時，反推質量流量比較大，反推力也會較大；射流位置前移或后移時，反推質量流量比均會減少，反推力也相應減少。

圖6 二次流噴射位置對反推質量流量比的影響

3.4 二次流噴射角度的影響

為了研究二次流噴射角度αjet對反推性能的影響，計算了8個噴射角度的流場結構和反推性能。不同的二次流噴射角度時的流場結構如圖7所示。從圖中可以看出，隨著二次流噴射角度的變化，反推質量流量比也是變化的。當二次流噴射角度較小或較大時，僅僅能夠使部分涵道流發(fā)生偏轉流過反推窗口。這是因為αjet太小或太大時，沿風扇逆流或順流方向上的分量過大，二次流射入深度受到限制，二次射流對涵道流的偏轉作用明顯減小，對風扇涵道流的阻礙作用隨之顯著減小，最終導致偏轉的風扇涵道流流量減少，反推力降低，因此，αjet有1個最佳范圍，若同時考慮二次流壓力的大小，會獲得1個最佳噴射角。

圖7 二次流噴射角度對流場結構的影響（D=1.0668 mm）

不同的二次流噴射角度下反推質量流量比和二次流流量的關系如圖8所示。從圖中可以看出，在20°≤αjet≤90°范圍內，若達到相同的反推質量流量比，αjet越小，所需的二次流質量流量比越小。同樣，隨著αjet的減小，二次流質量流量臨界值也減小，如圖9所示。（二次流質量流量臨界值的定義為，在反推質量流量比達到100%時所需的二次流質量）

圖8 二次流噴射角度對反推質量流量比影響

圖9 二次射流噴射角度對二次流流量臨界值影響

3.5 二次流噴射縫寬度的影響

為了分析二次流噴射縫寬度對反推力大小的影響，選取了2個不同寬度的二次流噴射縫進行分析。在其他條件相同時，通過研究二次流質量流量比、反推質量流量比的變化來衡量射流縫寬度對反推力的影響。從表1可以看出，當噴射縫寬度小時，達到相同量級的二次流流量需要的二次流噴射壓力明顯增加，意味著要從渦扇發(fā)動機核心流中引出壓力更高的氣體，才能達到相同的二次流流量。

表1 不同噴射縫寬度時二次流壓比和二次流流量比較

在不同的噴射縫寬度時反推質量流量和二次流流量的關系如圖10所示。在相同的二次流流量時，不同噴射縫寬度時的反推質量流量比變化不大，即當D變化時，只要二次流質量流量保持不變，通過反推窗口的風扇涵道流流量變化很小，對反推力的影響也不大。

圖10 不同噴射縫寬度下的反推質量流量和二次流質量流量比的關系

4 結論

（1）基于二次流噴射的無阻流板反推裝置能夠產生反推力，其大小與反推窗口中偏轉的涵道流流量有關。影響涵道流偏轉的主要參數是二次流壓比Pjet/Pa、二次流噴射位置Xjet和二次流噴射角度 αjet。

（2）當其他條件相同時，隨著Pjet/Pa增大，二次流質量流量比增大，反推窗口中偏轉的涵道流流量增大，產生的反推力也會隨之增大。Xjet處于反推窗口中心偏上游時，反推窗口中偏轉的涵道流流量最大；Xjet向上游或是下游偏移時，反推窗口中偏轉的涵道流流量減小。在20°≤ αjet≤90°范圍內，隨著αjet的增大，反推窗口中偏轉的涵道流相應減少，當αjet≤20°時，產生的反推力很小。在相同的二次流流量，二次流噴射縫寬度變化對反推力的影響不大。

（3）本文計算沒有包括反推導流葉片，僅僅是分析基于二次流噴射的無阻流反推技術的機理，下一步將進行包括反推導流葉片在內的基于二次流噴射的無阻流板反推技術研究，分析二次流的氣動幾何參數對反推效率的影響。

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