韩 佳，孙立业，张跃学

变循环发动机双外涵匹配研究

韩 佳，孙立业，张跃学

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

针对带核心机驱动风扇的双外涵变循环发动机，提出了1种用于双外涵匹配分析的数值模拟方法。利用计算流体力学Fluent软件对其初步流路进行了研究及优化，在此基础上对双外涵模式流场、不同前涵道引射器状态下的单外涵模式流场进行分析。结果表明：第1外涵道的角度和流通面积对总压恢复系数的影响较大；在由双外涵模式转换到单外涵模式过程中，应将前可变面积涵道引射器开到最大以减小总压损失。该方法能够有效地应用于双外涵变循环发动机流路优化及双外涵匹配分析，为变循环技术的深入研究提供参考。

双外涵；单外涵；模式选择阀；变循环发动机；数值模拟

0 引言

对于变循环发动机（Variable Cycle Engines，VCE），可以通过调整其部件的几何形状、尺寸和位置，改变其循环参数，使得在亚声速、跨声速和超声速等不同状态下具有良好的性能[1-3]。20世纪60年代[4]，美国研制了双外涵带核心机驱动风扇（CDFS）的F120发动机[5-7]，同期多国提出了不同的变循环发动机概念。

稳定快速地实现模式转换是保证变循环发动机正常工作的关键，其涉及部件的调节规律和涵道之间的流动匹配[8-11]。在进行带CDFS的双外涵变循环发动机的外涵流场数值模拟时，若将风扇、CDFS及双外涵联算，将极大地增加计算难度；若单纯地去掉旋转部件，其涵道内的流动状态又不易保证。

本文提出了1种用于变循环发动机双外涵匹配分析的数值模拟方法，包括给定计算域的简化及边界条件，并应用该方法研究双外涵变循环发动机的流动匹配。通过对初步流路进行优化，分析VCE在双外涵和单外涵不同工作模式下的流场特性。

1 研究方法

1.1 物理模型

双外涵变循环发动机初步流路如图1所示。图中CDFS和风扇出口通向外涵的气流通道分别称为第1、2外涵道。变循环发动机在双外涵模式工作时，模式选择阀开启，气流由第1、2外涵道进入外涵；在单外涵模式工作时，模式选择阀关闭，气流仅通过第1外涵道进入外涵。

图1 双外涵变循环发动机初步流路

1.2 数学模型

根据Boussinesq涡黏假设，忽略质量力的可压缩黏性气体N-S方程组[12]

式中：I=（δij），为单位张量；Γ为黏性应力张量；ρ为密度；u→为速度矢量；p为压力；E为单位质量流体总能量为热流矢量；t为时间。

湍流模型采用标准k-ε模型[12-13]，其湍动能k和耗散率ε为

式中：Gk、Gb分别为由平均速度梯度和浮力影响引起的湍动能；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；C1ε、C2ε和 C3ε为常数；σk和 σε分别为湍动能与耗散率的湍流普朗特数。

湍流黏性系数为

1.3 计算域及网格划分

由于本文着重研究双外涵的流动匹配，不考虑旋转部件的流场特性，因此对初步流路进行简化，如图2所示。选取计算域为图中黑色实线部分，从风扇出口取到外涵中间远离前可变面积涵道引射器（前VABI）的位置，以及内涵高压压气机的入口位置，将计算域边界适当延长以满足计算精度要求。CDFS简化为cdfsin及cdfsout2个边界，其中cdfsin为静压出口边界，将CDFS入口的总温赋予cdfsin边界，调节cdfsin的静压使得该边界的流量满足CDFS入口预期流量；cdfsout为总压入口边界，将CDFS出口的总压和总温赋予cdfsout边界。将前VABI简化为1个可变角度的阀门。

图2 计算域的简化

采用6面体网格对3维计算域进行网格划分，如图3所示。经过网格无关性检验，数量分别为50万、100万以及150万时，计算结果相差在1.5%之内，因此选取50万网格进行计算。采用Fluent6.3 3D求解器进行求解。

图3 3维计算域的网格划分

2 流路分析

初步流路往往不能满足预期流动状态的要求，对单外涵模式的初步流路进行评估分析，并修改优化中介机匣、内涵流路以及第1外涵道的流路，以保证流动状态满足预期要求。

以单外涵模式发动机各截面的参数为输入，保证风扇出口、CDFS入口、CDFS出口的总压、总温和马赫数与变循环发动机的预期参数一致。边界条件如图4所示。在计算时，分别调整cdfsin、outlet1和outlet2的静压，使得各流路的流量达到预期值。

2.1 初步流路的分析

根据初步流路所建立的单外涵计算域模型命名为small0模型，其总压、静压和流线如图5所示。从图中可见，第1外涵道处的总压梯度较大，且在其左壁面附近存在低速分离区，流线向右侧壁面汇聚。计算结果表明第1外涵道总压恢复系数为0.823。

图4 边界条件

图5 模型small0的流场分布

计算结果表明模型small0的各特征截面马赫数比预期值高，与预期的流动状态不一致。为了对预期状态下的双外涵进行匹配分析，就要对初步流路进行优化，使总压恢复系数、马赫数与预期值一致，从而保证流态相似[14-15]。

2.2 中介机匣及内涵流路的优化

结合气动参数与马赫数的关系[15]，根据预期值计算出各特征截面的尺寸大小，得到模型small1。根据small1各特征截面马赫数的数值模拟结果与预期值对比，再次修改流路得到small2，如图6所示。

图7 给出了3个流路模型的马赫数分布。从图中可见，small2的各特征截面马赫数与预期值基本一致，因此后续研究以small2的流路为基础。

图7 3个流路模型的马赫数分布

2.3 第1外涵道流路的优化

通过以上分析得出，初步流路的第1外涵道总压恢复系数过小，与发动机工作要求相差较大。在模型small2的基础上对第1外涵道流路的不同形式进行建模。模型small2为初步的第1外涵道模型，small3是在small2基础上将第1外涵道流路与轴线方向的角度改为30°，small4是在small2基础上将流路角度改为20°，small5是在small2基础上将第1外涵道流路夹角改为20°且保证第1外涵道的壁面距离与small2的相当，如图8所示。

图8 第1外涵道流路不同形式模型对比

在前VABI面积开到最大的情况下进行计算得出，在单外涵模式下，第1外涵道的流路形式仅对外涵流场有较大影响。不同模型的第1外涵道总压恢复系数如图9所示。从图中可见，不同角度和壁面距离对第1外涵道的总压恢复系数影响较大。第1外涵道总压恢复系数越大，越有利于发动机的总体性能，其中small5的第1外涵道总压恢复系数达到0.964，此时第1外涵道与轴线夹角为20°。因此，后续研究以模型small5为基础进行。

图9 不同模型的第1外涵道总压恢复系数

3 双外涵模式流场分析

为研究双外涵向单外涵模式转换过程中，前涵道引射器不同面积大小对流场的影响，首先需要确定出双外涵时前涵道引射器的面积，即模式转换时的初始面积。将可变面积的前VABI简化为1个可变角度的阀门，阀门角度的改变将影响其出口的面积。基于上述简化，确定了双外涵模式下前VABI阀门的角度，并对双外涵模式流路的流场进行分析。

3.1 边界条件

以单外涵模型small5的流路为基准流路，建立双外涵模型big0。其边界条件如图10所示。设cdfsin、outlet1和outlet2为静压出口。从图中可见，计算时通过调整静压，来保证inlet、cdfsout和outlet2的流量与预期值相等。通过调整前VABI开关角度和改变前VABI的面积，使得outlet1和cdfsout达到预期流量。

图10 边界条件

3.2 前VABI面积的确定

为使outlet1和cdfsout达到预期流量，改变前VABI阀门的角度，建立了不同模型，如图11所示。从图中可见，模型big0的前VABI阀门与发动机轴向夹角为 0°，模型 big1、big2 和 big3 分别为 -20°、-15°和-17°。计算结果表明：模型big3的各边界与预期的流量基本一致。因此可以确定双外涵时前VABI阀门位置与轴线夹角为-17°。

图11 不同前VABI阀门角度的模型

3.3 流场分析

模型big3的流场分布如图12所示。第1外涵道出口处总压梯度较大，掺混截面总压与CDFS出口总压的比值为0.819；经过中介机匣进入第2外涵道的气流流动存在明显的逆压力梯度区，但流线图显示，该气流并没有发生分离和回流。

图12 模型big3流场分布

4 单外涵模式流场分析

基于以上分析，优化了单外涵模式发动机中介机匣、内涵流路以及第1外涵道的流路，确定了前VABI阀门的角度。以单外涵模型small5的流路为基础，分2种情况分析了变循环发动机单外涵模式下流路的流场：在双外涵向单外涵模式转换时，前VABI的面积不变的情况；前VABI面积开到最大的情况。

在前VABI面积不变时单外涵模式下流路的压力分布如图13所示。中介机匣和第1外涵道的总压恢复系数分别为0.986和0.671。该种情况下第1外涵道总压损失过大。

在前VABI面积最大时单外涵模式下流路的压力分布情况如图14所示。中介机匣和第1外涵道的总压恢复系数分别为0.986和0.964。

图13 单外涵模式下流路的压力分布（前VABI面积不变）

图14 单外涵模式下流路的压力分布（前VABI面积最大）

5 结论

（1）第1外涵道的流通面积越大、与轴向的角度越小，其总压损失越小。在单外涵模式下，第1外涵道壁面距离与初始流路相当且与轴线夹角为20°时，总压恢复系数可达0.964。

（2）在由双外涵模式到单外涵模式转换过程中，前VABI面积不变时，前VABI处压力损失过大，因此单外涵模式下应将前VABI面积开到最大以减小总压损失。

该数值模拟方法及研究思路可用于变循环发动机的流路优化及双外涵匹配分析，为深入研究变循环技术提供参考。

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Study on Double Bypass Matching of Variable Cycle Engines

HAN Jia,SUN Li-ye,ZHANG Yue-xue
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

Aiming at the double bypass matching on a variable cycle engine with coreengine driven fan stage,a numerical simulation method was presented.An initial flowpath of variable cycle engine were analyzed and optimized by a CFD sofiware Fluent.The flow fields of doubleand singlebypassmodewith differentfrontvariableareabypassinjectorswereanalyzed.Theresultsshowthat theangleand areasof the first bypass has observably influence on total pressure recovery coefficient.The front variable area bypass injector should be opened as big as possibletodecreasethetotal pressurelosswhen shift thedoublebypassmodetothesinglebypassmode.Thenumerical simulation can be used in flowpath optimization and doublebypassmatchinganalysis.Thisstudy providesareferencefor further study on thevariablecycletechnology.

double bypass;single bypass;mode selection valve;variable cycle engine;numerical simulation

V211.45

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.010

2013-08-07 基金项目：航空动力基础研究项目资助

韩佳（1987），男，工程师，从事航空发动机总体性能设计工作；E-mail：hanjiayx@163.com。

韩佳，孙立业，张跃学.变循环发动机双外涵匹配研究[J].航空发动机，2015,41（1）:53-57.HAN Jia，SUN Liye，ZHANGYuexue.Study on doublebypassmatchingof variablecycleengine[J].Aeroengine，2015,41（1）:53-57.

（编辑：肖磊）