尾气回流对航空发动机进气影响研究

董如鹏 叶 巍 陈 劼 王彦青

（中国航发四川燃气涡轮研究院，四川 成都 610500）

飞机起飞时，尾部喷口喷射出的高温尾气冲击到机尾后方挡板上，尾气流受板面阻挡，除部分顺着挡板折向斜后方和两侧，剩余高温尾气可能会经机腹下折返回飞机头部前方，并被发动机抽吸至进气道内，造成发动机进口气动界面的温度畸变[1]，严重影响到飞机起飞过程中发动机的工作性能和气动稳定性。

早期国内外学者针对飞机起飞时的尾流场上进行了大量的数值模拟计算，主要着眼于发动机喷流边界内流场的速度、温度和压强的分布规律的数值计算研究，并对机体附近尾流场的发展以及其对周围环境的影响进行分析[2]。随着飞机起飞时高温尾气吸入对发动机工作性能的影响越来越严重，近些年来国内外学者逐渐把目光投向了起飞环境对进气道温升及发动机工作性能影响上，并通过构建对照组以求获得抑制尾气回流向前发展的最佳起飞布局[3]。

1 计算模型

本文仿真模型主要包括飞机、地面及进/排气模型。根据相关文献飞机公开三视图资料及结构布局[4]，对地面、挡板和飞机进行三维建模。为了减小网格划分难度及数量的要求，将地面简化为矩形平板，并忽略飞机起落架，弹仓等次要结构，如图1所示。

图1 三维模型

2 仿真方法

2.1 边界条件

整个计算域需要给定的边界条件包括远场来流、进气道出口及尾喷管进口。远场来流采用的边界条件为压力远场，给定来流的静温、静压、气流马赫数及气流的流动方向。进气道出口边界采用压力出口，根据所需的进气道出口流量，设定进气道出口的静压值。尾喷管进口边界采用压力进口，给定进口的总温、总压及燃气比例。由于尾喷管进口的气体全部为燃气，故进口处的燃气质量分数设置为100%，远场及进气道出口的流体采用的是理想空气，则两个边界的燃气质量分数默认为0。此外，所有的固体壁面及地面全都设置成无滑移壁面。

2.2 网格划分

将整个流体域分为“飞机+挡板”和“地面+远场”两个部分并对其分别进行结构化网格划分，整体网格总量约为1447 万，其中飞机计算域的网格总量约为1074 万，地面及远场计算域的网格总量约为373 万。由于远场所处的气流流量速度较小，气体流量较为平稳，因此该计算域的网格总量较小。整个计算域尺寸约为200m×150m×50m。

2.3 求解器设置

本文采用商用计算流体力学软件ANSYS FLUENT 开展仿真计算，将空气及燃气视为可压缩的理想气体，求解器为基于密度的耦合隐式算法（Density Based Implicit Solver），湍流模型选择目前广泛应用的k-ε（SST）模型，使用二阶迎风格式来对流动控制方程进行空间离散。

3 计算结果与分析

图2 展示了回流尾气充分发展后的流场分布情况。从图中可以清晰地看出，高温高速的尾气从喷管朝后方喷出，在空气中呈锥状向两侧扩散，当冲击到后方的挡板，在板面的导流下，一部分尾气顺着挡板折向斜上方，越过挡板顶端后大部分尾气向斜后方流去，小部分卷回至挡板后壁面处形成涡；另一部分尾气从挡板两侧排开，在越过挡板边缘后逐渐向内侧翻卷流向挡板背部。同时在喷向挡板的尾气流中，一小股气流在冲击板面后沿着板下方翻卷汇聚成涡团并回流折向机头方向，形成一股向前的射流。向上游回流的尾气在机头附近区域堆积形成尾气团，且受进气道抽吸影响，在飞机的进气管道内可以看到有一定量的尾气吸入。

图2 尾气流动分布

从飞机顺航向看去，由于喷管轴线偏向右侧，左侧喷管距挡板距离较右侧大，相应喷射角度增大，致使机体左侧的尾气回流情况较右侧更加严重。在起飞过程中，机头左侧附近会先形成尾气团的堆积，并逐渐扩散至右侧并被右侧进气道捕捉。整体而言，左侧进气道的尾气吸入的程度较右侧大，对应的发动机进气条件亦更加恶劣。

提取出瞬态计算中每个时间步进气道出口流场的尾气吸入量及温度分布情况，计算出口界面上的面平均总温及尾气占比，对各参数进行归一化化处理，并把各数据点连线绘制成随流动时间变化的曲线图，如图3 和图4 所示。从曲线图中可看出，以飞机顺航向来看，左侧进气道出口约在仿真开始后的0.8s左右出现了尾气吸入，表明尾气从喷管出口喷出到冲击挡板产生回流，再被进气道捕获最终扩散至发动机进口界面，总共用时0.8s。随着时间的推进，尾气吸入量逐渐上升，2.4s 左右达到峰值，随即迅速下降并在4s 后维持在一个中间位置，这是喷管突然喷出尾气被挡板导流形成一个向前射流在进气道出口产生的结果，4s 后尾气占比降至20%左右，表明飞机机体周围的尾流场逐渐达到了一个动态的平衡。当流场发展至5.6s 左右，随着尾气不断向前回流并在机头前方形成堆积，进气道出口界面的尾气占比再次升高并在6s 出现了一个小高峰。最后回流尾气逐渐消散，进气道尾气吸入量迅速降低，直至为0。

图3 进气道出口尾气占比

图4 进气道出口面平均温度

3.1 挡板位置的影响

保持其余条件不变，通过改变喷口与挡板的间距，开展不同挡板位置下尾气回流的仿真分析。如图5 所示，分别为挡板距离从1.0m 逐渐增大到5.0m 的过程中，进气道出口界面的燃气质量分数Cb，面平均总温TF,av及温升率·T 的变化趋势，各项参数均已作了归一化处理。对比不同距离下的进气道温度变化，当挡板与尾喷口的距离由1m 逐渐增大至5m 时，进气道出口的温升率呈现出先升高后降低的变化趋势，最大温升率出现在L=2.0m 处，其次是L=1.5m。随着L 的增大，进气道尾气吸入量逐渐减小，出口温升减小，温升率亦逐渐降低。但就平均温度而言，距离为1.5m 时的面平均温度要大于2.0m。从尾气吸入量也可以看出，1.5m 时进气道吸入的尾气最多，表明该位置为尾气吸入最严重位置，相应的管道内温度场受尾气吸入的影响程度也最大。

图5 不同距离下的出口参数变化

尾气离开喷管喷射到外界后呈锥状向后方扩散，流速会逐渐降低。随着喷管与挡板间距的增大，抵达挡板表面的射流速度也会随之减小，加之射流在流动过程中逐渐向四周发散，从板面上折回上游的气流速度会进一步衰减。从图5 可知，当喷管与挡板之间的间距增大至2.5m，朝挡板下方流动的尾气团速度已不能支持其回流至机头位置，板前的尾气聚集于机尾下部空间，此时进气道内几乎无尾气吸入，发动机进口温度也趋近于初始状态，从而得出尾气回流对发动机进气条件无影响的最小距离为2.5m。

3.2 挡板角度影响

在挡板偏转角方面，如图6 所示。对比不同仿真结果下的进气道温度畸变，可以直观地看到，随着挡板角度的降低，进气道尾气吸入量逐渐减小，出口处所能达到的最高温度值也逐渐降低，其余各项温度畸变指数数值的变化趋势与尾气吸入量一致。直至挡板偏转角减小至30°时，进气道内已捕捉不到尾气的信息，出口各项温度畸变指数趋近于0，可认为此时发动机进口界面流场未受到回流尾气的影响。

图6 不同角度下的出口参数变化

4 结论

本文针对挡板布局对回流尾气的发展及进气道出口流场分布的影响进行了仿真研究，完成了对飞机在不同挡板距离和不同偏转角度下起飞过程的数值模拟，主要结论如下：

4.1 从飞机顺航向看去，由于挡板存在一个侧向角度，挡板左侧离喷管的距离较右侧大，致使机体左侧的尾气回流情况较为严重。

4.2 尾喷口距挡板的距离对发动机尾气吸入具有显著的影响。在较小的间距下进气道吸入的尾气量多，当尾喷口距挡板的距离为1.5m 时进气道尾气吸入量达到最大值。当间距增大到2.5m 后，进气道内全程无尾气吸入。

4.3 随着偏转角的逐渐增大，向挡板斜上方流动的尾气量逐渐减小，被导流至机体前方的尾气量不断增大，发动机进口界面的流场分布也就越恶劣，反之亦然。进气道最大尾气吸入量产生在挡板偏转角为45°的地面布局下。