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室内发动机试车台流场特性的数值研究

摘要：良好的流场特性是室内航空发动机试车台设计的基础。本文运用数值模拟手段对某室内发动机试车台的流场特性进行了研究。结果表明：数值计算方法可以模拟出室内发动机试车台工作时的流场特征。试车台的引射系数随着引射筒直径比的增大而增大，且在D0/d9较大时增大趋势趋缓。进气部分的拐角导流片大大降低了发动机进气的速度不均匀度，提高了发动机进气的均匀性。
关键词：室内试车台流场特性数值模拟
0.引言
航空发动机试车台是用于测量发动机性能参数的试验设施。根据发动机所处试验环境的不同可分为室内试车台、露天试车台、高空试车台。其中，室内试车台是最常使用的发动机性能试验设施。不同于露天试车台，室内试车台试车时，在喷口射流的引射作用下，室内气流存在二次流动。
引射筒
发动机
消音器
这一方面引起了发动机的测量推力与真实推力存在偏差，需要对其进行校准。现阶段发动机试车台推力校准主要依赖于实验手段，国内多采用交叉校准的方法[1]，如果试车台设计不佳，导致二次流动引起的推力偏差过大，则交叉校准方法也将不再适用[2]。因此需要在试车台设计过程中就对室内试车台的流场特性建立准确的认识。另一方面，不同试车台进排气系统存在各自的特征，试车台内二次流动特点也不相同，进气系统若设计不佳，将导致发动机进气出现畸变，影响发动机正常试验。因此也需要对试车台进气流场特性进行评估。
CFD数值模拟是对工程项目进行快速高效的流场分析的有效手段。世界上各大航空工程公司如英国罗罗公司、美国GE公司、法国赛峰公司[3]~[5]都曾使用数值手段对室内发动机试车台的流场进行计算，并以此为基础对室内环境下的发动机性能参数进行评估。而国内[6]也开始尝试使用CFD手段研究室内发动机试车台的整体性能。
本文运用CFD软件FLUENT，对室内发动机试车台的流场进行了数值模拟，根据计算结果分析了试车台进排气系统参数改变对试车台流场特性的影响，为进一步优化室内发动机试车台设计提供依据。
1.室内发动机试车台的进排气结构
以某室内发动机试车台为研究对象。该室内试车台采用“U”型方案，进气塔内布置矩阵式消音器，试车间内水平段布置板状消音器，发动机喷口正对引射筒中心，引射筒出口处为开孔排气段。排气塔内布置板状消音器。
2.计算模型与边界条件
2.1计算模型的建立
如图1所示，计算模型包含了试车台的进气塔、试车间、排气塔以及流路内的消音装置、发动机和引射筒。台架及发动机附近设备尽管对局部流动特性存在影响，但是对试车台整体流场特性的影响较小，因此在建模时忽略了发动机附近的台架及设备。
排气塔
图1室内发动机试车台计算模型
为了对比排气系统引射筒直径对试车台流场特性的影响，分别建立了基于不同引射筒直径的计算模型。发动机排气截面直径为d9，引射筒直径为D0。引射筒直径与发动机喷口直径比D0/d9分别取为3.3、4.0、4.6、5.3。
为了对比进气系统拐角处有无导流片对发动机进气流场的影响，分别建立了包含及不包含进气拐角导流片的计算模型。
数值计算采用有限体积法，使用理想气体模型，根据多次实测数据与计算结果的对比，k-epislon模型在求解此类流动具备较高的准确性，因此使用k-epislon模型作为湍流模型。
2.2边界条件
计算域内包含多个进出口边界。进气塔进口设置大气总压进口边界条件，排气塔出口设置排气静压边界条件。本文计算中不考虑空气在发动机内部的流动和物性变化过程，因此在发动机喇叭口后截面设为计算域出口，给定发动机进气流量、初始压力作为出口边界条件。发动机喷口截面设为计算域入口，给定进口总温、总压作为入口边界条件，发动机的进排气状态参数根据相应发动机全加力状态下的标准参数确定。开孔排气段壁面设置为多孔介质面，根据相应孔板的阻力特性设置阻力系数。
3.计算结果分析
3.1 室内发动机试车台流场分析
“U”型室内发动机试车台的流场有其自身特征。
图6~图8分别为进气部分、尾喷口-引射筒部分、排气部分的速度分布云图。进气部分，试车台所有空气流量均由进气塔口进入，在矩阵消音片间整流后，进入进气拐角段，在导流片的作用下，气流方向发生90°偏折，在水平消音板间整流后，进入试车间，被发动机所吸入和引射。尾喷口处，发动机喷出的高速气流引射周围空气后进入引射筒，尾喷口处呈现出典型的射流特征，引射空气也保护了引射筒免受发动机喷出的热气流的吹熄。而在排气部分，发动机喷射气流在引射筒内混合趋于均匀，经由开孔段排出，进入排气塔，在排气塔内整流后偏折90°垂直排出。
图6 进气部分流速分布云图

图7尾喷口-引射筒部分流速分布云图

图8排气部分流速分布云图
3.2引射筒径比对引射系数的影响
引射系数定义为：
，其中为室内试车台空气流量，为发动机空气流量。引射系数表征了引射