航空发动机露天试车台侧风模拟研究

汪 才，艾延廷，朱建勇，张 巍，林 山，乔 黎

(1.沈阳航空航天大学，沈阳 110136；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

1 引言

航空发动机在地面露天试车台试车期间常会受到侧风影响，导致发动机工作不稳定，影响发动机推力测量和性能评定。发动机侧风试验的目的是验证侧风条件下进气道与发动机的兼容性[1-3]。自然空间中的强侧风可能会造成发动机进口气流畸变，导致压气机工作不稳定甚至喘振。因此，有必要进行侧风试验研究，以获得不同风向及风速下发动机的响应和进气道的流动特性，同时确定发动机地面工作侧风边界，进而优化进气道与发动机的兼容性，并为飞机在侧风条件下的安全运行提供保障[4-6]。

截至目前，国外就侧风对露天试车台的影响做了大量的试验和研究工作。英国R·R 公司、美国P&W 公司和美国GE 公司各自建造了风速可达30 m/s、空气流量可达2 000 kg/s 的大型侧风风源设备。其中，R·R公司和P&W公司设计了全方位的风源设备，分析了各个角度对发动机形成的侧风条件对发动机进气畸变的影响[7]；GE 公司设计了从0°、45°、90°三个方位进行侧风试验的风源设备，给出了发动机若能顺利通过这三个方向的侧风试验，则其他方向的侧风试验都能通过的结论。Tourrette 等[8]发展了一套数值求解Navier-Stokes方程的软件，并通过与试验结果对比，验证了数值方法和湍流模型的可靠性；Brix等[9]开展了侧风条件下由于短舱进气道的吸入作用产生地面涡的风洞试验研究；Trapp等[10]就侧风条件下飞机起飞时产生的进气道涡流对发动机进口流场的影响进行了分析与研究。相比之下，国内对航空发动机露天试验台侧风影响研究起步较晚，目前的侧风试验主要是在发动机进口安装多点压力测头，来测量有无侧风条件下发动机进口压力场的变化。刘永泉等[11]通过仿真流场压力分布模拟了某型发动机的进气畸变；李志平等[12]研究了发动机受进气畸变导致其工作稳定性变化的规律；刘浩等[13]采用数值模拟方法，研究了侧风来流条件对地面涡形成和发展的影响；王宝坤等[14]提出了风速标定方法和开展侧风试验的程序，给出了侧风装置工作状态与试验所需风速之间的映射关系。由于露天试车台侧风模拟的复杂性和有效性，我国对侧风模拟装置试验的研究深度仍有待提高。

本文基于流体力学理论，运用ANSYS Workbench 对侧风装置试验过程进行仿真，研究露天试车台侧风装置内部流场和下游出口处的压力、流量、速度的分布及演化规律。此外，采用Realizablek-ε湍流模型进行数值模拟，获得了风机压力与流量的对应关系，揭示了侧风装置中风机使用数量对流场稳定性的影响。

2 计算方法

2.1 流体控制方程

在本文侧风数值模拟稳态计算工况下，需要同时满足的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量方程，各方程的详细推导过程可参考文献[15]。

(1) 质量守恒方程

式中：ρ为气流密度，u，v，ω分别为x、y、z方向的速度分量。

(2) 动量守恒方程

x、y、z三个方向的动量守恒方程为：

式中：p为微元体压力，τxx、τxy、τxz分别为因黏性作用在微元体表面上的黏性应力分量，Fx、Fy、Fz分别为微元体上的体力。

对于牛顿流体，黏性应力与流体的变形率成比例，有：

式中：μ为动力黏度；λ为第二黏度，一般取-。

将(3)式代入(2)式得，

式中：Su、Sv、Sw为动量方程广义源项，其中Su=Fx+sx，Sv=Fy+sy，Sw=Fz+sz。

上式中sx、sy、sz的表达式如下：

一般来讲sx、sy、sz是小量，对于黏性为常数的不可压流体，sx=sy=sz=0。

(3) 能量守恒方程

式中：e为物体内能，T为温度，q为热流量，k为热传导系数。

2.2 航空发动机侧风装置模型

不同露天试车台所使用的侧风装置结构不尽相同，侧风装置的模拟风源可以由一台涡轴发动机在减速装置作用下连带的一组飞机螺旋桨组成，也可以由安装在风源筒体同一平面上的电机风扇组组成。本文的侧风装置模型参照了美国GE公司的发动机侧风装置，如图1所示。

图1 美国GE公司的发动机侧风装置Fig.1 Aero-engine crosswind device of GE company in American

对发动机侧风装置进行合理简化，省略无关部分，得到如图2所示的发动机侧风装置模型。装置全长91 500 mm，宽30 000 mm，高18 890 mm。其中前端进气部分长13 000 mm，试验段壳体长67 840 mm。风源部分由19 个风筒及安装在其内部的电机风扇组组成，风筒长5 660 mm，风筒前端进气口直径1 800 mm，尾部出气口直径2 160 mm，风扇组的排列方式如图3所示。风扇模型是在没有真实模拟风扇的三维模型条件下的简化，为无厚度平面，通过设置经过该平面的压力增量近似模拟风扇的增压效果。

图2 发动机侧风装置模型Fig.2 Model of engine crosswind device

图3 风扇排列方式及编号Fig.3 Fan arrangement and number

2.3 网格划分

在侧风装置前10 倍动力段距离和侧风装置后30倍动力段距离处建立延伸段，以便能更好地观察气流流出下游出口之后的迹线，如图4 所示。为提高侧风模拟计算精度，分区进行网格划分，同时经数值仿真对网格无关性进行验证，网格如图5 所示。风源筒体及计算域网格适当加密，网格数量140万。风扇动力段网格数量50万，如图6所示。

图4 完整流场网格Fig.4 Complete flow field grid

图5 风源筒体及计算域网格Fig.5 Fan barrel and computational domain grid

图6 风扇动力段网格Fig.6 Fan power section grid

2.4 边界条件设置

分别计算在中央1台风机、中间7台风机与全部19台风机工作(图7)下，每台风扇进口分别提供200，500，750，1 000，1 500，2 000 Pa压强时，侧风装置下游出口处气流的压力、流量和速度。计算域边界条件设置如图8所示，紫色区域设置为压力入口，黄色区域设置为压力出口，粉色区域设置为无滑移、绝热壁面。

图7 风机工作情况Fig.7 Working condition of fan

图8 边界条件设置Fig.8 Boundary condition setting

运用ANSYS Workbench Fluent 18.2进行数值模拟，计算时的求解器选择密度基求解器，流体设定为理想气体，计算模型的速度特征选择相对速度求解。计算过程中，采用的控制方程为三维雷诺平均Navier-Stokes方程，空间离散采用二阶迎风格式，湍流模型选用Realizablek-ε湍流模型。

3 侧风物理量分析

侧风装置出口气流流动会受到侧风装置不同数量风机工作的影响，下面从侧风装置出口压力、流量和速度三个方面分析侧风装置出口气流的流动情况。

3.1 侧风装置出口压力变化规律

采用数值模拟方法对侧风装置出口处的压力进行研究，对比分析不同数量风机工作时的出口压力变化规律。图9为各个工况下出口压力的分布云图(从左到右分别对应风扇进口总压200，500，750，1 000，1 500，2000 Pa)。可见，1 台、7 台、19 台风机工作时，出口压力均随进口总压改变，且最大压力位置并不处于出口截面中心位置。1 台风机工作时，最大压力出现在出口截面上部，且进口总压越大越明显；7台风机和19台风机工作时，高进口总压的出口截面压力分布比1 台风机工作时的更均匀，最大压力出现在出口截面下部和上部的边角。

图9 不同数量风机工作时出口截面的压力分布Fig.9 Pressure distribution of outlet section when different numbers of fans are working

进一步对风机工作时的迹线图进行分析。进口总压2 000 Pa，1台、7台、19台风机工作时侧风装置的气流迹线分别如图10～图12 所示。1 台风机工作时，气流迹线在出口截面处小幅度偏向上方，导致气流在出口前一较短距离内向上方聚集，形成高压区，使得出口截面处高压区域整体偏向上方。此时，在收敛段会产生回流区，如图10(b)所示。风机所在风筒为进气状态，而其余未工作风机所在风筒为开口风筒，气流可以自由进出。出口截面之后会有1 000 mm左右的空间处于负压状态，即该区域绝对压强低于外界大气压强，造成除10号风机所在风筒外的其余风筒处于从外界吸气的状态。但是由于该负压相对较小(＞-10 Pa)，因此气流在这些风筒内的速度并不是很高，进入收敛段后不能及时从下游出口排出，在负压区形成回流区。

图10 1台风机工作时侧风装置的迹线图(进口总压2 000 Pa)Fig.10 Trace diagram of working device of 1 fan with 2 000 Pa total inlet pressure

图11 7台风机工作时侧风装置的迹线图(进口总压2 000 Pa)Fig.11 Trace diagram of working device of 7 fans with 2 000 Pa total inlet pressure

图12 19台风机工作时侧风装置的迹线图(进口总压2 000 Pa)Fig.12 Trace diagram of working device of 19 fans with 2 000 Pa total inlet pressure

7台风机工作时，在收敛段同样会产生回流区，但其形成机理与1 台风机工作时的形成机理不同。此时，工作风机向内吸气会在风筒截面后形成高压区，使被吸入空气因为内外压差被强行从工作风机所在风筒挤出收敛段内部空间，从而在内部形成回流区。

19台风机工作时，在收敛段内部没有明显的回流区产生，流场均匀稳定。

3.2 侧风装置出口流量变化规律

上述从压强方面解释了1 台风机与7 台风机工作时收敛段内部产生回流区的原因，本节通过比较进、出口流量变化规律对产生回流区的原因进行分析说明。不同数量风机工作时的气体流量见表1。可以看出，1 台风机工作时，所有风筒处于进气状态，进气流量等于出气流量。7台风机工作时，只有工作风机所在风筒进气，而气流从非工作风机所在风筒与下游出口流出，使得进气流量等于出气流量。所以1台风机与7台风机工作时产生回流区的方式不同。

表1 不同数量风机工作时的气体流量Table 1 Gas flow during operation of different number of fans

图13为进口总压2 000 Pa时，1台、7台、19台风机工作时每台风机对进气流量的贡献曲线图。从图中可清晰看出不同数量风机工作时每台风机输送的流量：1台风机工作时，几乎所有进口流量由10号工作风机提供，其余18 台未工作风机也有少量进气，但对总体进口流量影响不大，只是会导致侧风装置收敛延长段内部产生轻微的紊流；7台风机工作时，进口流量由5、6、9、10、11、14、15 号工作风机提供，其余12 台未工作风机不仅没有向装置内部提供流量，反而造成吸入流量损失，进而造成收敛延伸段内部产生严重的回流区，对出口流量影响较大；19 台风机工作时，由于全部风机都在工作，所以每台风机承担的流量近似，这与1台风机和7台风机工作时工作风机与非工作风机提供的流量有明显不同。图中也进一步说明，1台风机和7台风机工作时产生回流区的机理完全不同。

图13 进口气压2 000 Pa时各风机流量贡献曲线Fig.13 Contribution curve of fan flow at inlet pressure of 2 000 Pa

对比三种数量风机工作情况，1 台风机工作时效率最高，且未工作风机也能提供一定的流量；7台风机工作时，流场相对稳定，但未工作风机会引起一部分流量损失；19 台风机工作时，流场稳定均匀。因此，试验过程中应尽量选用全部19台风机工作。

3.3 侧风装置出口速度变化规律

1 台、7 台、19 台风机工作时各进口压力下的出口速度分布云图如图14所示。可以看出，随着进口总压增大，出口速度也随之增大，且其在单一条件中的分布也具有规律性，即越靠近壁面速度越低。1台风机工作时，出口截面的最大速度位于中心点右上方位置，这是受未工作风机影响，使得流场紊乱所致。工作风机数量增多，流场更加均匀。

图14 不同数量风机工作时的出口速度变化Fig.14 Variation diagram of outlet speed when different numbers of fans are working

以出口截面中心为原点建立坐标系，水平方向每间隔200 mm 取一个坐标点，原点左右取±80 mm的两点，则出口截面处水平方向的速度分布如图15所示。可见，出口速度在靠近壁面处会骤然下降，越靠近壁面处速度越低，且近壁面处速度梯度较大。这是因为紧贴壁面处有一层因壁面限制而导致脉动消失的层流薄层，其黏滞力使得流速急剧下降。

图15 不同工况下的出口速度分布曲线Fig.15 Outlet velocity distribution curve under different working conditions

4 结论

利用数值模拟方法，对某发动机露天试车台侧风装置不同工况进行了仿真计算分析，主要得出以下结论：

(1) 相比全部19 台风机工作，中央1 台风机工作时的总压损失大，且气流流动紊乱；相比中间7台风机和全部19台风机工作，中央1台风机工作时的流量、速度受总压的影响小。

(2) 中央1 台风机单独工作时效率最高，比19台风机一起工作时每台风机提供流量的能力都强，其周围不工作的风机受压差作用会从外界吸气，使得侧风装置出口流量高于工作风机吸入流量，但未工作风机吸入的气流流速低且紊乱。

(3) 19台风机工作时，在壁面和中心区之间的区域流动较为稳定；中央1台风机工作时，流速和压力较高区域都偏离中心区；中间7台风机工作时，流动相对稳定，但流量会受未工作风机影响而降低。试验时，应尽量避免中央1台风机和中间7台风机工作引起的试验误差。