CN113283021A - 一种确定后涵道引射器可调面积的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种确定后涵道引射器可调面积的方法，通过使CFD仿真输出的内外涵气流流量、内外涵气流总压与总体输入偏差，来判断后涵道引射器的几何面积是否满足总体需求，若偏差为零，则此状态下的后涵道引射器的几何面积满足要求，反之则不满足要求，解决了无法确定后涵道引射器几何面积/气动面积关系的问题，且具有可操作性。

Description

一种确定后涵道引射器可调面积的方法
技术领域
本发明属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种确定后涵道引 射器可调面积的方法。
背景技术
变循环发动机是一种具备高单位推力、低巡航油耗的双重性能需求 的先进发动机。多部件几何参数可调使变循环发动机在更宽广的范围内 调整发动机的涵道比，使其在整个飞行包线内拥有最佳性能。其中，后 涵道引射器是变循环发动机可调部件中的典型特征结构，它一般位于加 力燃烧室前段，通过在不同工作状态点下改变外涵射流面积(A16)，与 其前方的其他可调部件配合实现改变涡扇发动机的涵道比。
在典型状态点总体先提出后涵道引射器的气动面积需求，部件设计 时则需要了解气动面积与机械几何面积的关系，才能较为准确得进行结 构设计，然而由于射流式后涵道引射器结构复杂，其与传统的加力燃烧 室相比，混合截面由多个部分组成，结构外形并无明显的外内涵气流掺 混面，因此不能采用传统加力燃烧室以掺混面为静压平衡位置来确定外 内涵几何面积。此外，由于需要提前得知气动面积与几何面积关系以此 作为控制规律，才能实现不同状态点下的面积控制，而要实现全包线内 后涵道引射器调节几何面积的确定，需要改变全包线各状态点外涵的流 通面积，设计过程更加复杂。
发明内容
本发明的目的是提供了一种确定后涵道引射器可调窗口面积的方 法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本发明的技术方案是：一种确定后涵道引射器可调窗口面积的方法， 所述方法包括：
S1、根据后涵道接口及轮廓相关设计要求确定内外涵道的基本尺寸， 并根据外涵道最小气动面积确定外涵道高度，根据外涵道最大气动面积 确定射流式后涵道引射器的窗口调节范围；
S2、根据所述基本尺寸及外涵道高度构建后涵道仿真模型，其中， 构建后涵道模型时，后涵道引射器的窗口面积划分为多个可调区域；
S3、输入发动机某一状态点的总体性能参数，所述总体性能参数包 括进口内外涵速度、温度及组分分布，之后设定后涵道引射器的窗口面 积；
S4、通过CFD输出进口内外涵流量、质量加权的内外涵进口总压， 判断CFD输出的内外涵流量、内涵进口总压与总体要求是否一致，若不一 致，则调整环境压力，使得CFD输出的内外涵流量、内涵进口总压与总体 要求一致；
S5、之后，判断CFD输出的外涵进口总压与总体要求是否一致，若 外涵进口总压大于总体要求的外涵进口总压，则增大引射器窗口面积， 反之，则减小后涵道引射器的窗口面积，从而得到满足该状态点总体性 能参数的后涵道引射器窗口面积；
S6、最后，将全包线内各个状态点重复上述步骤S3～S5，从而得到全 包线内各个状态点的后涵道引射器调节面积。
进一步的，所述基本尺寸包括外涵道的外径、内涵道的内径形状及 尺寸。
进一步的，CFD过程采用的软件包括FLUENT。
进一步的，通过调节后涵道引射器的开度实现对后涵道引射器窗口 面积的增大或减小。
进一步的，通过拟合全包线内各个状态点的后涵道引射器调节面积 获得后涵道引射器调节面积与发动机状态的关系曲线。
本发明的方法通过使CFD仿真输出的内外涵气流流量、内外涵气流总 压与总体输入偏差，来判断后涵道引射器的几何面积是否满足总体需求， 若偏差为零，则此状态下的后涵道引射器的几何面积满足要求，反之则 不满足要求，解决了无法确定后涵道引射器几何面积/气动面积关系的问 题，且具有可操作性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明提供的技术方案，下面将对附图作简单地 介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本发明的方法示意图。
图2为常规的后涵道引射器与内外涵道位置示意图。
图3为本发明一实施例的后涵道引射器调节面积与发动机状态的关 系曲线。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描 述。
针对现有技术中射流式后涵道引射器的气动面积与几何面积的关系 无法通过简单计算得到的问题，本发明中提出了一种可以在全包线范围 内、多股流掺混的无明显静压平衡位置、面积可变的后涵道引射器几何 面积的确定方法，从而解决结构设计初期无法评估后涵道引射器几何面 积结果是否满足总体需求的现状。
本设计发明的目的是：针对多股流掺混的无明显静压平衡位置的后 涵道引射器，提出一种满足总体需求气动面积的后涵道引射器几何面积 计算方法，最终得到气动面积与几何面积关系。
如图1所示，本发明提供的用于确定后涵道引射器可调窗口面积的方 法，主要包括如下步骤：
S1，确定流路
如图2所示，首先根据后涵道引射器10的接口及外轮廓等设计要求， 确定基本尺寸。其中，基本尺寸包括外涵道11的外轮廓形状及尺寸、内 涵道12的内轮廓形状及尺寸以及内外涵道前端和后端的形状及尺寸等。
之后，根据外涵道的最小气动面积要求可以得到外涵道11的高度H。
并且根据外涵道的最大气动面积要求，可以得到射流式后涵道引射 器的窗口调节范围(去除通道面积)，后涵道引射器的窗口调节范围即 通过最大气动面积与最小面积之差确定。
S2，计算建模
基于上述流道的基本尺寸及参数等可建立后涵道10的模型以及生成 计算网格。其中，在建模时，射流式后涵道引射器的可调窗口面积均匀 的划分为多个可调区域。在网格生成时，对流动较为复杂和重点关注区 域进行网格加密。
对上述模型进行CFD(Computational Fluid Dynamics，即计算流体动 力学)分析，在本实施例中，采用了商用软件FLUENT，并在软件中设置 了计算方法、数学模型、边界条件和材料等。可以理解的是，上述CFD 分析软件FLUENT还可以是其他软件，例如OpenFoam。
S3，CFD仿真
输入发动机某一状态点的总体性能参数，总体性能参数包括进口内 外涵速度、温度和组分分布等。
之后，设定一初始的后涵道引射器窗口面积进行CFD计算，第1次计 算时可采用总体要求气动面积(去除外涵通道面积)给定的方式，后续 可根据CFD仿真结果调整引射器窗口面积。
S4，输出进口气动参数
利用CFD输出计算后的进口内外涵流量、质量加权的内外涵进口总 压。同时，判断CFD输出的进口内外涵流量、内涵进口总压与总体要求是 否一致；若不一致，则调整环境压力，再次进行迭代计算，直至CFD输出 的进口内外涵流量、内涵进口总压与总体要求一致或在可接受的误差范 围内。
S5，调整后涵道引射器窗口面积
在CFD输出的进口内外涵流量、内涵进口总压与总体要求一致的前提 下，再次判断CFD输出的外涵进口总压与总体要求是否一致。若CFD输出 的外涵进口总压大于总体要求的外涵总压，则增大后涵道引射器13的窗 口面积；否则，减小引射器窗口面积。
其中，增大或减小后涵道引射器13的窗口面积可以通过调节后涵道 引射器13的窗口开度实现。
当CFD输出的外涵进口总压与要求的外涵进口总压再次一致后，此时 对应的后涵道引射器窗口几何面积即为满足该状态点总体性能参数需求 的可调窗口面积。
S6，最后，将全包线内各个状态点(状态点例如巡航、慢车、爬升 等)重复进行上述步骤S3～S5，即可得到全包线内各个状态点的后涵道引 射器几何面积。
其中，全包线内各个状态点的后涵道引射器几何面积可通过对其进 行拟合，从而得到后涵道引射器调节面积与发动机状态的关系曲线，实 现得到状态点之间的调节面积。
如图3所示即为本申请一实施例的后涵道引射器调节面积与发动机 状态的关系曲线，其中图3横坐标为对应各个状态点的需求气动面积，纵 坐标为几何面积与窗口最大面积的相对值。
通过上述方法得到不同状态点下的气动/几何面积关系曲线，可以方 便、快捷的用于变循环发动机试验控制中。
本发明提供的射流式后涵道引射器全包线内气动面积与几何面积关 系的确定方法，通过使CFD仿真输出的内外涵气流流量、内外涵进口总压 与总体输入偏差为零，以表征后涵道引射器几何面积调节可以满足总体 需求，解决了设计初期无有效评估全包线后涵道引射器结构设计是否满 足总体气动面积需求的现状，具有很强的可操作性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此， 本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种确定后涵道引射器可调窗口面积的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、根据后涵道接口及轮廓相关设计要求确定内外涵道的基本尺寸，并根据外涵道最小气动面积确定外涵道高度，根据外涵道最大气动面积确定射流式后涵道引射器的窗口调节范围；
S2、根据所述基本尺寸及外涵道高度构建后涵道仿真模型，其中，构建后涵道模型时，后涵道引射器的窗口面积划分为多个可调区域；
S3、输入发动机某一状态点的总体性能参数，所述总体性能参数包括进口内外涵速度、温度及组分分布，之后设定后涵道引射器的窗口面积；
S4、通过CFD输出进口内外涵流量、质量加权的内外涵进口总压，判断CFD输出的内外涵流量、内涵进口总压与总体要求是否一致，若不一致，则调整环境压力，使得CFD输出的内外涵流量、内涵进口总压与总体要求一致；
S5、之后，判断CFD输出的外涵进口总压与总体要求是否一致，若外涵进口总压大于总体要求的外涵进口总压，则增大引射器窗口面积，反之，则减小后涵道引射器的窗口面积，从而得到满足该状态点总体性能参数的后涵道引射器窗口面积；
S6、最后，将全包线内各个状态点重复上述步骤S3～S5，从而得到全包线内各个状态点的后涵道引射器调节面积。
2.如权利要求1所述的确定后涵道引射器可调面积的方法，其特征在于，所述基本尺寸包括外涵道的外径、内涵道的内径形状及尺寸。
3.如权利要求1所述的确定后涵道引射器可调面积的方法，其特征在于，CFD过程采用的软件包括FLUENT。
4.如权利要求1所述的确定后涵道引射器可调面积的方法，其特征在于，通过调节后涵道引射器的开度实现对后涵道引射器窗口面积的增大或减小。
5.如权利要求1所述的确定后涵道引射器可调面积的方法，其特征在于，通过拟合全包线内各个状态点的后涵道引射器调节面积获得后涵道引射器调节面积与发动机状态的关系曲线。
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