航空动力学报飞发一体化反推排气流场大涡模拟技术研究

航空动力学报

飞发一体化反推排气流场大涡模拟技术研究

杨树楷 刘立平 黄敬杰 马志东

中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015

摘要：航空发动机气动数值仿真技术多基于稳态数值计算方法，无法捕捉发动机在实际工作过程中存在的多种涡系，进而影响发动机气动稳定性及结构件寿命。采用大涡模拟技术，开展非定常流场数值模拟研究，突破分排系统三维非定常流场仿真分析技术瓶颈，提升航空发动机排气系统设计和仿真能力。

关键词：航空发动机，大涡模拟，非定常流场数值模拟

YANG Shu-kai

（AECC Shenyang Engine Research Institute, Shenyang 110015, China）

0　引言

反推力装置作为飞机的机载设备，主要功能是在正推力状态下作为发动机外涵排气系统的一部分，确保外涵的气动性能满足发动机总体要求；在正常着陆、中断起飞及危急着陆过程中，提供反向减速推力，有效缩短机地面滑跑制动距离，降低跑道潮湿、结冰或覆雪等环境因素对地面滑跑制动的不利影响。在军用方面，既能缩短飞机着陆滑跑距离，又能大大提高飞机的作战效能；在民用方面，短的着陆滑跑距离意味着可以在短的跑道上实现飞机降落，对民航建设具有较高的经济价值。

航空发动机反推排气流场与机身机翼、短舱、相邻发动机、地面以及发动机进气和环境来流条件等均存在交互影响，通常是基于稳态数值计算方法进行分析。但发动机实际工作中是一个环境与气流综合作用的结果，流场随时间的变化而不断变化，且存在多种涡系。漩涡的存在可能改变发动机进气流场及飞机工作环境，进而影响发动机气动稳定性及飞机气动特性。而反推力装置装机条件下，反推排气气流与发动机进气气流、外场相对来流存在时刻的交互作用，可能形成复杂的漩涡。涡系构成原因复杂，且流场在大空间内变化，不易利用传统测试手段再现流场。

稳态数值仿真技术对于流场随时间的发展研究及模拟发动机动态进气畸变有一定的局限性，急需开展基于飞发一体化的反推排气流场大涡模拟技术研究工作，以探究复杂涡系的分布及发展，捕捉动态流场涡系变化情况，为完善设计体系提供技术支持。

1　发展趋势

目前借助数值仿真技术求解湍流流场主要有3种方法：RANS、LES和DNS。RANS广泛地应用于复杂结构的工程计算，它对所有的湍流尺度进行模化后求解经过雷诺平均的NS方程组，给出流场的统计平均量。DNS直接求解流场中所有的尺度，这导致DNS的计算量非常大。LES是在综合考虑目前工程应用的要求以及计算能力局限的条件下发展起来的一种介于RANS与DNS之间的湍流数值方法，其基本思想是大尺度量通过直接求解NS方程得到，小尺度量对大尺度量的影响则是通过亚格子模型实现的。

大涡模拟方法是由Smagorinsky提出来的用大尺度涡求解NS方程的近似方法。在以后的发展中，与直接数值计算方法一道称为湍流模拟研究的高级数值模型。由于LES建立在湍流统计理论和拟序结构认识的基础上，克服了传统湍流模型中时均处理和普适性方面所存在的缺陷，适应了湍流研究的需要，受到了人们的重视。Shannon通过风洞PIV实验，给出了机翼尾流场的湍流特征量、壁面脉动压力等测量结果。Wang等对机翼模型周围的流场进行大涡模拟，得到了尾流场的湍流流动结果，并比较了不同形式的尾缘所带来的尾流场湍流流动的变化，为优化设计低噪声水平的翼型结构打下了基础。

近年来，国内学者也相继开展了大涡模拟技术研究。黄明恪利用Euler方程计算机身与机翼分离时的翼-身组合体大迎角绕流的方法，模拟出体涡与翼涡的相互作用，以及体涡的存在对流场、压强分布以及空气动力的影响。舒桃通过对无限翼展直后掠翼三维粘性绕流进行数值模拟计算，研究了以非定常质量引射作为外激发手段进行分离涡流场控制的问题。

2　关键技术

LES的理论依据是：小尺度脉动更趋于各项同性，受边界条件的影响要比大尺度脉动小，所以可能存在通用的模型。然而对于近壁湍流，流动结构具有很强的各向异性，不满足LES亚格子模型的各向同性假设，要精确求解近壁湍流不仅需要复杂的亚格子模型，而且所需的网格尺度也趋于DNS的网格要求。对于很多工程问题，并不关心近壁区的湍流脉动量，因此在近壁区湍流可以采用RANS模拟，以降低计算量。混合模型方法正是基于这种思路，在近壁区采用RANS方法求解湍流边界层流动，而在远离壁面区域采用LES方法。

通过大涡模拟(LES)方法对空间流场进行数值模拟，在考虑时间项的同时，可精确求解大尺度的所有湍流尺度运动，同时又克服了DNS由于需要求解所有湍流尺度而带来的巨大计算量的问题。是研究流场中气流相互作用、涡系的发展等的重要技术手段，可指导设计排故等分析评估工作，是具有重大意义的湍流数值模拟发展方向与数值评估手段。

在研究合成射流、剪切涡的非定常流动特性产生原理以及发展运动的过程中，利用低压高负荷叶栅进行分析。将合成射流应用于

PakB叶栅上，在不同时刻、时间点下，分析涡系的发展和分布的差异与区别。时间为0时刻，气体开始从激励腔体内的射流孔处喷出，在边沿处形成剪切边界层，卷曲之后的剪切层产生涡旋；时间为π/2时刻，薄膜运动方向为正前方，运动速度达到最大，在边沿处的涡环也开始往下游方向运动发展；时间为π时刻，激励腔体处于吹、吸交替过程，薄膜运动达到顶端后，运动方向为向后，射流孔附近的流体逐渐被吸入腔体内，0时形成的涡环继续向下游运动；时间为3π/2时刻，薄膜运动速度达到最大，射流出口处的气体被吸入到腔体内，涡环向下游继续运动，同时全部离开射流出口，吸气过程没有影响到吹气时形成的涡环的运动；时间为2π时刻，薄膜回到最初的位置，激励器内的流体又一次被喷出。

3　发展途径

反推力装置外流场中存在大量动态发展的漩涡，极为复杂且不易测量，且随时间变化而不断发展。反推排气流场数值仿真技术最大的难点，是对漩涡的准确模拟。内部流路转折、排气流冲击地面、排气流与机身碰撞、不同撞击位置的排气流场交互掺混等，都会形成漩涡，这些漩涡的存在对于内部流动性能与流路设计、外部异物卷吸进入发动机等都具有重要影响。

综上所述，基于飞发一体化反推排气流场大涡模拟技术研究应用的技术途径为：

a)大涡模拟亚格子尺度研究；

b)反推力装置全机流场中涡的形成与发展机理研究；

c)反推力装置排气对发动机进口流场畸变影响的研究。

4　结束语

（1）目前国内关于反推力装置流场数值仿真技术，均建立在稳态数值仿真的基础上，急需开展基于飞机一体化的反推力装置排气流场大涡模拟技术研究工作。

（2）建立开启状态下的叶栅式反推力装置、发动机进气道、地面一体的物理模型及其非定常大涡模拟数值分析方法，揭示反推力气流对地面的作用及其形成的复杂涡系，掌握改变反推力气流撞击地面的流动特性和消除异物卷吸的大尺度漩涡的控制机制。

（3）可以将此数值仿真计算方法应用到以后的发动机相关设计工作中，完善设计体系。