一种抗畸变来流的被动鼓包流动控制方法

技术领域

本发明涉及对畸变进气条件下的被动流动控制方法，具体讲是一种抗畸变来流的被动鼓包流动控制方法。

背景技术

飞行器在其工作包线内常面临复杂多变的来流条件，其中典型的畸变进气条件下会对飞行器动力装置产生诸多的不利影响，使得动力装置的效率降低。动力装置作为飞行器的核心部件，迫切需要一套成本低、简单、易维护的调控方法来提升在畸变来流下动力装置的稳定性，使得飞行器在全工作包线内都具有良好的性能。

畸变来流条件显著影响动力装置进气口的气流稳定，进而对旋转部件产生了更多的不利影响。以典型的动力装置涵道风扇为例，常安装在飞行器表面，由于机身表面边界层及不同来流条件的影响，风扇往往在畸变来流下工作，涵道风扇的无法发挥其应有的性能。

针对进气口的畸变来流工作环境，以往常采用安装导流板、使用翼型旋涡发生器、附面层吸气等主被动流动控制方法。这些方法虽然取得了一定的控制效果，但仍存在设计复杂、额外的增加的机械结构导致重量增加等问题。

发明内容

因此，为了解决上述不足，更好的调控畸变来流下动力装置的稳定性，使飞行器拥有更好的性能，本发明在此提供一种抗畸变来流的被动鼓包流动控制方法；本方法控制简单、成本低，能够改善动力装置在畸变来流条件下的稳定性。

具体的，一种抗畸变来流的被动鼓包流动控制方法，包括：

根据动力装置唇口尺寸设计鼓包形状；

在位于畸变进气条件下的动力装置唇口布置所述鼓包；

所述鼓包形状的约束条件包括鼓包沿流向长度、鼓包展向宽度、鼓包最高点高度和鼓包最高点在流向位置，

所述鼓包沿流向长度为动力装置进气唇口长度，所述鼓包展向宽度为动力装置唇口进气半径，所述鼓包最高点位置和高度作为研究变量，鼓包最高点在流向位置是取沿流向长度的25％或50％或75％；所述鼓包最高点高度是鼓包沿流向长度的10％～30％。

可选的，所述鼓包通过高阶多项式描述外形，该鼓包包括一条流向型线和五条展向型线；

所述鼓包的约束条件还包括流向型线沿流向经过唇口进口和出口并经过x＝0的中轴面，以及在唇口的进口和出口位置流向型线的曲率与唇口面相切。

可选的，根据所述约束条件求解鼓包流向型线和展向型线的多项式。

进一步的，求解流向型线的多项式的方法是：

令流向型线的多项式为如下五阶多项式，并通过所述约束条件得到该五阶多项式的a

y

其中，y

进一步的，求解展向型线的多项式的方法是：

分别提取唇口进口断面z＝0mm、鼓包最高点断面z＝z

并令展向型线的多项式为如下五阶多项式，并通过指定约束条件得到该五阶多项式的a

y

其中，y

可选的，所述指定约束条件是：所述鼓包最高点断面z＝z

本发明具有如下优点：

本发明能够更好的调控畸变来流下动力装置的稳定性，使飞行器拥有更好的性能，并且控制简单、成本低，能够改善动力装置在畸变来流条件下的稳定性。所述鼓包可以有效改善进气唇口的畸变流场，转子域进口畸变指数下降13％。转子域叶尖泄漏涡减弱，畸变区叶尖位置熵损失下降6％，涵道风扇整体效率提升1.2％。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是所述涵道风扇三维模型；

图3是所述涵道风扇唇口鼓包参数化模型；

图4是涵道风扇唇口的鼓包几何模型；

图5是BLI进气条件下涵道风扇数值模拟网格模型；

图6是不同鼓包对涵道风扇性能影响趋势；

图7是唇口进气断面总压云图；

图8是不同鼓包转子域进口总压云图；

图9是不同鼓包对转子域进口畸变指数影响趋势；

图10是鼓包最高点周向断面压差系数分布趋势；

图11是沿流向进气唇口动量损失厚度分布趋势；

图12是转子域断面畸变来流分区；

图13是非畸变区熵损失沿叶高分布趋势；

图14是进畸变区熵损失沿叶高分布趋势；

图15是畸变区熵损失沿叶高分布趋势；

图16是出畸变区熵损失沿叶高分布趋势；

图17是原型唇口不同分区叶尖位置相对马赫数分布；

图18是鼓包唇口不同分区叶尖位置相对马赫数分布；

图19是非畸变区50％叶高负荷分布；

图20是非畸变区75％叶高负荷分布；

图21是非畸变区95％叶高负荷分布；

图22是畸变区50％叶高负荷分布；

图23是畸变区75％叶高负荷分布；

图24是畸变区95％叶高负荷分布；

图25是不同模型叶尖泄漏涡拓扑结构；

图26是沿弦向不同断面Q准则识别数。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如背景技术中所述，畸变来流条件显著影响动力装置进气口的气流稳定，进而对旋转部件产生了更多的不利影响。以典型的动力装置涵道风扇为例，常安装在飞行器表面，由于机身表面边界层及不同来流条件的影响，风扇往往在畸变来流下工作，涵道风扇的无法发挥其应有的性能。针对进气口的畸变来流工作环境，以往常采用安装导流板、使用翼型旋涡发生器、附面层吸气等主被动流动控制方法。这些方法虽然取得了一定的控制效果，但仍存在设计复杂、额外的增加的机械结构导致重量增加等问题。

基于上述原因，本实施例提供了一种抗畸变来流的被动鼓包流动控制方法，该实施例针对BLI进气条件下涵道风扇性能损耗的问题，在位于畸变进气条件下的涵道风扇唇口布置鼓包；所述涵道风扇由一级转子和一级静子组成，如图2所示，转子和静子叶片数分别为16和6，转子叶尖间隙设计值为0.5mm，转子机匣与静叶机匣半径126.5mm，进气唇口的进口直径D＝306mm，轴向长度R1＝50mm。

基于上述涵道风扇的进气唇口，选择高阶多项式描述唇口鼓包的外形，这种方法形式简单，生成所需要的鼓包曲线光滑。鼓包设计分为流向型线设计和展向型线设计，流向型线为一条五阶多项式，展向型线为五条五阶多项式，如图3展示了唇口鼓包参数化建模示意图，根据涵道风扇唇口结构，对鼓包进行约束：

约束一、鼓包沿流向长度取涵道风扇进气唇口长度，即L＝R

约束二、鼓包展向宽度取涵道风扇唇口进气半径，即b＝0.5D；

约束三、给定鼓包最高点的高度h；h的范围为5mm～14mm。

约束四、鼓包最高点在流向位置的分布R；R分别选取25％、50％和75％。

约束五、鼓包流向型线沿流向经过唇口进口和出口并经过x为0的中轴面，为了保证鼓包的最高点，流向型线在最高点的曲率为0。

约束六、在唇口的进口和出口位置流向型线的曲率与唇口面相切。

根据上述对鼓包约束条件，求解鼓包的流向型线和展向型线的五阶多项式。

其中求解流向型线的五阶多项式时，令流向型线的多项式为如下五阶多项式：

y

其中，y

通过上述对鼓包的约束条件可以得到上述五阶多项式(1)中的系数a

求解展向型线的五阶多项式时，分别提取唇口进口断面z＝0mm、鼓包最高点断面z＝z

y

其中，y

令指定约束条件是：鼓包最高点断面的多项式与流向多项式在鼓包最高点相交，且为了保证最高点，该点曲率为0。同时，该断面展向多项式与唇口面相切；根据所述指定约束条件求解五阶多项式(2)的系数a

基于上述的鼓包参数化建模思路，根据涵道风扇进气唇口的几何外形布置鼓包。进气唇口的三维鼓包外形轮廓如图4所示，鼓包的参数化设计范围及物理意义见表1。

表1：鼓包设计的参数研究

为了验证在涵道风扇唇口布置上述鼓包对于调控畸变流场的调控效果，本实施了以典型的翼身融合布局飞行器为例，涵道风扇布置于飞机表面，机身或机翼表表面产生的不均匀气流即为畸变来流条件，模拟真实的BLI畸变来流工况。基于通过机翼来模拟涵道风扇的畸变来流原理，以机翼-涵道风扇布局的结构为例，整体网格结构示意图见图5，阐述鼓包结构对于涵道风扇的调控效果及调控机理。在来流马赫数Ma＝0.06，总温T＝298K条件下，本实施了所述鼓包对于进气口唇口流场、转子域流场的影响及作用机理。

如图6所示，不同鼓包结构对于涵道风扇效率的影响趋势，随着鼓包最高点高度的增加，鼓包改善涵道风扇效率的能力增强，在鼓包最高点高度为4.35％D时，效率改善最明显。随着鼓包最高点在流向位置上的后移，鼓包改善流场畸变的能力减弱。在鼓包最高点高度为4.35％D，最高点流向位置为0.25L时，鼓包改善涵道风扇性能的能力最强，与原型进气唇口相比，绝热效率增加1.6％。

进一步的，所述鼓包对唇口流场的进气条件影响以及调控机理如下：

BLI进气条件带来的流场畸变造成了涵道风扇的流动损失和性能损耗。在进气唇口设置鼓包能够有效改善由流场畸变带来的涵道风扇性能损耗。针对鼓包对涵道风扇产生的性能影响，进一步研究了鼓包对进气口唇口的流场影响以及调控机理。对于涵道风扇内部流场来说，由于机翼上翼面边界层的吸入，会导致涵道风扇进气唇口流场畸变增强。采用畸变指数(DA)定量描述BLI进气条件下流场的畸变程度大小，畸变指数的计算公式见公式(3)：

其中，

随着机翼来流迎角的增加，机翼上翼面尾缘分离区增大，唇口进口断面流场畸变增强。当来流迎角为20°时，机翼上翼面尾缘分离区随来流迎角的增加变化不明显，此时唇口进气断面流场畸变指数达到峰值，峰值为1.175％，总压畸变如图7所示。在进气唇口设置鼓包之后，鼓包会对下游流场产生影响，如图8所示为不同鼓包转子域进口断面总压云图。可见设置鼓包之后，鼓包下游转子域进口断面流场畸变强度减弱。

如图9所示，随着鼓包高度h的增加，鼓包减弱流场畸变的能力增强，鼓包高度超过4.35％D时，减弱流场畸变的能力减弱。对比R＝0.25L，0.5L和0.75L可以发现，随着鼓包最高点在流向上的后移，减弱流场畸变的能力降低。与原型唇口相比，h＝4.35％D，R＝0.25L时，鼓包减弱畸变流场的能力最强，畸变指数降低9.7％。

如图10所示，给出了鼓包最高点周向截面的压差系数分布趋势，L

由于鼓包的存在，导致经过鼓包的部分畸变流场沿展向向两侧排移，流入鼓包下游流场的边界层低能流体减少，本文采用动量损失厚度来表示鼓包对下游流场的影响。动量损失厚度表示了由于边界层的存在损失了厚度为θ的自由流体的动量。其中θ的表达式为：

式中：u为边界层内来流速度，U为边界层为来流速度。

如图10所示，鼓包后，下游流场的动量损失厚度θ减小，即下游流场边界层内低能流体速度增加，边界层厚度减小。

综上所述，唇口鼓包将畸变来流造成的部分附面层低能流体沿展向向两侧排移，降低了鼓包下游边界层动量损失厚度，提升了畸变区内流体的动量。当畸变区内流体流入转子域时，转子域断面进口流场畸变减弱。

所述鼓包对于转子域流场流动损失的影响及调控机理如下：

进口唇口鼓包对涵道风扇性能的提升归结于转子域流场畸变的减弱和流动损失的减少。为了阐明唇口鼓包对涵道风扇流动损失的具体影响，将转子域进口断面按照总压畸变的强弱进行分区，展示不同分区内熵损失的分布结果。如图12所示，非畸变区为330°到352.5°，进畸变区为281°到303.5°，畸变区为259°到281.5°，出畸变区为237°到259.5°。

根据畸变来流的分区结果，提取四个典型区域内不同叶高位置的熵损失分布，结果如图13-图16所示，图13是非畸变区熵损失沿叶高分布趋势，图14是进畸变区熵损失沿叶高分布趋势，图15是畸变区熵损失沿叶高分布趋势，图16是出畸变区熵损失沿叶高分布趋势。叶尖的流动损失最大，大于叶根和叶中位置的损失。同时，由于畸变引起的流场非均匀性，损失系数沿周向也在发生波动。与原型唇口相比，在非畸变区内沿不同叶高，鼓包唇口的熵损失趋势一致，流场损失没有得到改善。从进畸变区开始，相较于原型唇口，鼓包唇口在75％叶高位置熵损失系数下降，在叶尖位置熵损失系数减小最大，最大值减小1.2％。

根据不同流动区域熵损失沿叶高的分布趋势可以看出，进气畸变带来的流动损失主要分布在畸变区的80％-100％叶高位置，而唇口鼓包改善了由进气畸变引起的进气唇口边界层的流动恶化，有效降低了畸变区叶尖位置的流动损失。针对唇口鼓包对涵道风扇转子域叶尖位置流动损失减少这一性能，进一步研究了唇口鼓包对转子域流场的调控机理。

当BLI进气导致的畸变流场流入进气唇口后，在鼓包的影响下，畸变区内轴向速度增加，叶尖进气攻角减小，原型唇口进气攻角为10.5°，鼓包唇口进气攻角为9.4°。如图17和图18所示，其中图17是原型唇口不同分区叶尖位置相对马赫数分布，图18是鼓包唇口不同分区叶尖位置相对马赫数分布，给出了两种进气唇口在不同分区内，叶尖位置的相对马赫数云图。对比结果可以发现，在畸变区内，随着转子域进口轴向速度的提升，鼓包唇口在叶尖位置叶片吸力面的分离减弱，分离区减小。

随着带鼓包涵道风扇在叶尖位置畸变区流道内的叶片分离减弱，叶片沿弦向逆压梯度后移，造成在该位置叶片负荷随之降低。图19-图24所示，其中图19是非畸变区50％叶高负荷分布，图20是非畸变区75％叶高负荷分布，图21是非畸变区95％叶高负荷分布，图22是畸变区50％叶高负荷分布，图23是畸变区75％叶高负荷分布，图24是畸变区95％叶高负荷分布，给出了两种进气唇口在非畸区和畸变区不同叶高的负荷分布。对比结果可以看出，在50％叶高位置畸变区与非畸变区负荷趋势一致，没有受到畸变来流的干扰。在95％叶高位置，由于鼓包唇口对叶尖轴向速度的增加，对应到畸变区叶片负荷减小。

由于转子叶片间隙的存在以及吸力面和压力面的压力差，会导致在转子域叶尖位置出现叶尖泄漏流动，随着叶尖泄漏流离开叶尖间隙，在通道中与主流相遇，由于粘性剪切效应二者在通道中形成泄漏涡结构。而带鼓包涵道风扇提升了转子域进口的轴向速度，造成叶尖位置畸变通道内叶片吸力面分离减弱，负荷降低，叶尖泄漏流随之减弱在通道中形成的泄漏涡强度也随之减弱。

通道内涡旋结构可以由涡识别准则所捕捉。定义无量纲化的Q不变量为

其中，Q为流动不变量，c为叶尖弦长，

为研究通道中泄漏涡的行为，首先在垂直弦长方向截取若干截面，然后选用Q准则对畸变区叶尖的泄漏涡进行识别，结果如图15所示，从泄漏涡起始位置，按照0.25C的步长选取六个截面的叶尖泄漏涡拓扑结构。由叶尖拓扑结构可得，带鼓包涵道风扇叶尖泄漏涡的起始位置发生后移，距离叶片前缘的距离为8.25％C，而原型涵道风扇在畸变区叶尖位置的泄漏涡起始截面距离前缘为7.67％C。

如图25所示给出了原型、带鼓包涵道风扇沿弦向，不同截面的Q准则识别数，

综上所述，与原型涵道风扇相比，具有所述鼓包涵道风扇转子域进口轴向速度增大，在叶尖位置畸变区通道内，叶片吸力面分离减弱，负荷降低，造成叶尖泄漏涡沿弦向起始位置后移且泄漏涡强度减弱。进一步的叶尖位置流动损失降低，由畸变来流带来的涵道风扇性能损耗下降。通过所述鼓包可以有效改善进气唇口的畸变流场，转子域进口畸变指数下降13％。转子域叶尖泄漏涡减弱，畸变区叶尖位置熵损失下降6％，涵道风扇整体效率提升1.2％。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。