高推進(jìn)效率對(duì)轉(zhuǎn)槳扇cfd分析

高推進(jìn)效率對(duì)轉(zhuǎn)槳扇cfd分析

1問題的提出背景20世紀(jì)70年代，石油危機(jī)的出現(xiàn)，大型外國(guó)航空機(jī)構(gòu)開始研究開放式動(dòng)力。其中典型代表為美國(guó)GE公司的UDF36無涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī),于1986年8月在B727-100飛行試驗(yàn)臺(tái)上成功完成了世界首次開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)。但由于油價(jià)回落、市場(chǎng)接受度和當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制,開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)并未投入實(shí)際使用。近年來,隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性要求的提高以及更嚴(yán)格的適航條例的出臺(tái),開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)以較高的推進(jìn)效率、較低的油耗和CO2排放,成為經(jīng)濟(jì)友好型發(fā)動(dòng)機(jī)的典型代表,具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。美國(guó)GE公司、英國(guó)R·R公司和歐盟,均針對(duì)下一代民用客機(jī)的需求制定了長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究計(jì)劃,并開展了相關(guān)的設(shè)計(jì)研究[2，3]。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理與常規(guī)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)并無本質(zhì)區(qū)別。先進(jìn)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用對(duì)轉(zhuǎn)槳扇,在較高飛行馬赫數(shù)(與先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng))工作時(shí),仍能保持遠(yuǎn)高于普通螺旋槳的推進(jìn)效率。對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的氣動(dòng)性能在極大程度上決定了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,但對(duì)轉(zhuǎn)槳扇也是開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)最大的噪聲來源。如何降低對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的噪聲等級(jí)是目前國(guó)外開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。以美國(guó)NASA為代表的西方眾多航空機(jī)構(gòu),對(duì)先進(jìn)對(duì)轉(zhuǎn)槳扇展開了大量的CFD計(jì)算分析,以期對(duì)其氣動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和噪聲控制研究提供依據(jù)與支持。國(guó)內(nèi)在這方面的研究基本處于空白,缺乏對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)軟件。本文在現(xiàn)有壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)CFD設(shè)計(jì)分析方法,探索性設(shè)計(jì)出一種適用于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)轉(zhuǎn)槳扇,并進(jìn)行了三維定常流場(chǎng)分析。同時(shí),通過與國(guó)外研究結(jié)果的分析對(duì)比,驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果的合理性。2扇子框架設(shè)計(jì)2.1轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)—總體指標(biāo)本文對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的CFD計(jì)算基于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)——巡航狀態(tài),對(duì)轉(zhuǎn)槳扇主要設(shè)計(jì)參數(shù)與NASAF7-A7對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的一致,如表1所示。2.2s1流面設(shè)計(jì)S2流面設(shè)計(jì)選用壓氣機(jī)S2流面計(jì)算方法。此方法假設(shè)氣流為軸對(duì)稱定常流,采用流線曲率法逐站求解,能反映端壁區(qū)域流道信息。計(jì)算時(shí)輸入流道幾何參數(shù)、靜子葉片出口環(huán)量分布、附面層堵塞系數(shù)、轉(zhuǎn)子葉片排效率或損失系數(shù)、靜子葉片排總壓恢復(fù)系數(shù)或損失系數(shù)、葉片排稠度和各級(jí)壓比,輸出各葉排進(jìn)出口的氣動(dòng)參數(shù)、各計(jì)算站的氣動(dòng)參數(shù)及質(zhì)量平均總參數(shù)。但對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的氣流屬于外流,沒有外流道,更沒有靜子葉片排,且兩級(jí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反。因此,使用該方法進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的S2流面設(shè)計(jì)存在較大困難,需在兩級(jí)轉(zhuǎn)子后面再加一排靜子葉片進(jìn)行處理,并選取合適的S2流面輸入數(shù)據(jù),才能使計(jì)算順利進(jìn)行。對(duì)轉(zhuǎn)槳扇S2流面設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)是如何評(píng)判S2流面設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。由于采用的是壓氣機(jī)計(jì)算內(nèi)流的設(shè)計(jì)方法,其設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)判準(zhǔn)則也只適用于常規(guī)壓氣機(jī),并不適用于屬于外流范疇的對(duì)轉(zhuǎn)槳扇。目前的解決方法是,參考國(guó)外先進(jìn)對(duì)轉(zhuǎn)槳扇資料給定S2流面設(shè)計(jì)的輸入數(shù)據(jù),然后根據(jù)造型結(jié)果和三維計(jì)算結(jié)果評(píng)判設(shè)計(jì)的合理性,進(jìn)而反過來修正S2流面設(shè)計(jì)。對(duì)轉(zhuǎn)槳扇子午流道設(shè)計(jì)結(jié)果見圖1。2.3葉片形狀設(shè)計(jì)葉片造型采用定制葉型程序,結(jié)果如圖2所示。與S2流面設(shè)計(jì)一樣,葉片造型結(jié)果也需要三維計(jì)算結(jié)果修正。3網(wǎng)絡(luò)劃分和邊界條件的配置3.1遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格的定義外流三維流場(chǎng)計(jì)算在網(wǎng)格處理上與內(nèi)流區(qū)別很大,通常在網(wǎng)格劃分時(shí)添加一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格來表征周圍大氣,而內(nèi)流則是固壁。采用Numeca軟件的網(wǎng)格劃分方法,分別設(shè)置葉片的前場(chǎng)、后場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖3示出了對(duì)轉(zhuǎn)槳扇B2B面網(wǎng)格和三維網(wǎng)格。3.2邊界條件:主要分為5.外流計(jì)算的邊界條件設(shè)置與內(nèi)流計(jì)算的全然不同。內(nèi)流計(jì)算一般是給定進(jìn)出口的氣流溫度、壓力和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速來確定壓氣機(jī)工況,而外流計(jì)算沒有進(jìn)出口條件,需要給定環(huán)境溫度、壓力和進(jìn)氣速度(即飛行速度)。遠(yuǎn)場(chǎng)的邊界條件也是給定轉(zhuǎn)速、飛行速度、環(huán)境的溫度和壓力。邊界條件設(shè)置見表2。4結(jié)果分析4.1流面總壓分布圖4為對(duì)轉(zhuǎn)槳扇三維流線和三維馬赫數(shù)分布圖,圖5為兩排轉(zhuǎn)子間馬赫數(shù)和總壓分布云圖,圖6為擬S1流面50%葉高處?kù)o壓分布云圖,圖7為擬S1流面50%葉高處葉片表面靜壓分布云圖,圖8、圖9分別為擬S2流面馬赫數(shù)和靜壓分布云圖。4.2葉片表面壓力下面通過與國(guó)外成功對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,來驗(yàn)證本文計(jì)算結(jié)果的合理性。圖10是NASA試驗(yàn)測(cè)得的前排葉片吸力面靜壓分布,其趨勢(shì)是前緣壓力低、尾緣壓力高?？梢?圖9中前排葉片吸力面的靜壓分布趨勢(shì)也是前緣較低,越向后越高。圖11是德國(guó)斯圖加特大學(xué)計(jì)算得到的對(duì)轉(zhuǎn)槳扇前后排葉片表面壓力分布,可見,圖7中的葉片表面壓力分布趨勢(shì)與其相似。圖12是德國(guó)斯圖加特大學(xué)計(jì)算得到的對(duì)轉(zhuǎn)槳扇流線圖,圖4與其相比,兩個(gè)計(jì)算得到的流線圖也基本相似。以上對(duì)比分析結(jié)果表明,本文所做的開式轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的三維流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果基本合理。6結(jié)構(gòu)方程模型的驗(yàn)證本文在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,探索了對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。參考國(guó)外對(duì)轉(zhuǎn)槳扇的設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)轉(zhuǎn)槳扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)和三維流場(chǎng)計(jì)算分析,并通過與國(guó)外相關(guān)研究成果的對(duì)比,初步驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果的合理性。由于國(guó)內(nèi)對(duì)開式