S弯进气道出口畸变控制及其对跨声速风扇流场影响研究

摘要

自上世纪中叶以来，随着人类对航空飞行器尤其是导弹和军用飞机生存能力要求的不断提高，S弯进气道因其隐身性好、结构紧凑、便于维修等诸多优点，受到国内外学者广泛关注并被逐渐投入使用。然而，其出口畸变通常较大，对工作其后的气动部件极为不利。因此，深入研究该类进气道内部流动特性、出口畸变形成机理以及对后续部件气动性能、流场结构影响，对于改善其后气流流动乃至提高整个发动机气动性能、拓展其应用范围都具有重要意义。目前，有关S弯进气道的研究大多单独针对进气道，而将S弯进气道与其后风扇或压气机作为整体研究的相对较少。
　　为此，本文首先针对某小型涡扇发动机风扇级，设计一半埋入式S弯进气道并对其进行几何结构优化。鉴于结构优化对进气道内部流动改善幅度有限，进一步对优化后进气道进行了吹、吸气流动控制研究。分析发现，吹气位置变化显著影响吹气控制效果，气流分离点之前吹气后分离起始位置后移，分离区域内吹气，则在分离点与吹气点之间出现小范围气流分离，吹气点之后分离气流重新附着。第1弯底部吹气可抑制“对涡”雏形生成和流动分离发生，为最佳吹气位置。为避免吹出的气流与进气道内主流发生掺混，吹气量不宜过大，吹气角需尽量保证吹出的气流始终位于附面层内。喉部吸气既可使其后较大范围的流场受益，又可较好地抑制“对涡”雏形形成和流动分离发生，为最佳吸气位置。吸气角的选择需综合考虑附面层内气流方向、主流方向以及附面层厚度。优选出最佳吹、吸气方案的基础上，将两者组合实施吹吸气组合流动控制，发现其效果并非单独吹气和单独吸气时对应效果的简单叠加，该方案下进气道气动性能提高幅度最大。
　　考虑到进气道出口畸变严重，对风扇级不利，分别将优化和流动控制前后进气道与风扇级对接作为一个整体进行了一体化数值研究。结果表明进气道出口是否接风扇级，对其数值研究结果影响较大，尤其是对进气道出口周向总压畸变和旋流畸变的影响。进气道出口畸变作用下，风扇级气动性能显著下降，进气道优化后风扇稳定工作范围略有增加。进气道内施加流动控制后风扇性能得到进一步提升。其中，吸气时对应改善幅度最小，效率最大值增加约0.57％。吹气时效率最大值增加约2.26%，该点对应增压比增加约1.20%。吹吸气组合流动控制之后，改善幅度最为明显，效率最大值、最大增压比分别增加约2.70%和3.13%。受动叶旋转影响，进气道出口截面底部低能流体在发展至风扇动叶入口的过程中所占面积逐渐减小，至动叶入口覆盖底部约三个流道；进入风扇后，畸变流体始终覆盖多个流道，相对于其它均匀流道，这些流道内气流总压和速度较小。优化和流动控制后，畸变流体所覆盖流道数量减小，且畸变流道内的总压和气流速度都稍有增强；在入口气流攻角改变和下游逆压梯度的综合作用下，静叶吸力面上出现严重的气流分离。但分离现象主要发生在50%叶高以下位置，且优化和流动控制之后分离现象有所减弱。
　　最后，基于上述研究，以风扇级静叶内高能气流作为进气道内吹气流动控制气源，进行了带引气管路的风扇级入口畸变控制研究。结果表明引气管路自身结构以及安装位置、角度、引气量、所引气流品质等对引气控制效果影响较大。轮毂位置引气后，静叶畸变流道内低能流体被部分吸除，吸除的气流在进气道内吹出后进气道内流动状态略有改善，风扇整体性能得到提高。机匣位置引气时，风扇级的稳定工作范围明显增加，当风扇工作点靠近喘振边界时，引气控制起到显著积极作用，而靠近设计点或者堵塞边界时引气反而会导致风扇级气动性能下降。引气系统采用类似于放气活门一样的工作方式工作时，不仅能保证风扇级稳定工作范围增加，还能维持其最高效率点附近整体特性。

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第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2 S弯进气道研究现状

1.3压气机入口畸变分类及成因

1.4入口畸变对风扇/压气机性能影响

1.5 本文主要研究目的及内容

第2章 数值计算方法及其验证

2.1 引言

2.2研究对象

2.3 数值模拟方法介绍

2.4 数值方法验证

2.5 本章小结

第3章 S弯进气道设计及其优化

3.1 引言

3.2 基本参数

3.3 设计方法

3.4 参数计算

3.5 设计结果

3.6 进气道优化

3.7 优化设计结果分析

3.8 本章小结

第4章 吹、吸气及其组合控制对进气道性能改善研究

4.1 引言

4.2流动控制实现

4.3 吹气控制对进气道性能影响

4.4 吸气控制对进气道性能影响

4.5 吹、吸气组合控制对进气道性能影响

4.6 本章小结

第5章 进气道结构优化及其内吹吸气对风扇性能影响

5.1 引言

5.2 数值模拟方案

5.3 出口边界条件变化对进气道仿真结果影响

5.4进气道结构优化对其后风扇性能及流场影响

5.5进气道内吹吸气控制对其后风扇性能及流场影响

5.6 本章小结

第6章 风扇级引气至进气道内吹气的畸变控制研究

6.1 引言

6.2 计算方案设计

6.3 风扇级引气至进气道内吹气控制实现

6.4风扇级引气至进气道内吹气对风扇性能及流场影响

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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