2017, Vol. 35
涡扇发动机的布局主要有翼吊和尾吊两种形式。在上反的后掠翼上使用翼吊发动机，已经成为大型客机的通用布局形式，被波音、空客广泛采用，国内C919大型客机也采用翼吊发动机布局[1]。这种布局形式具有发动机来流品质高、有效降低翼根弯矩、防止颤振、降低客舱噪音、方便发动机维修等优点。
涡扇发动机具有推力大、推进效率高、噪音小、燃油消耗率低等优点，是当前民用喷气飞机的主流发动机。先进的涡扇发动机朝着高涵道比的方向发展[2-3]，进一步降低耗油率，如：用来取代CFM56-5B与CFM56-7B的LEAP-X系列发动机[4]，涵道比由前者的5~6: 1提高到10~11: 1，但发动机的直径和迎风面积增大。对于翼吊布局飞机来说，在一定的起落架高度和发动机离地间隙约束下，短舱安装位置与机翼之间的距离更近，相互之间的气动干扰增强，给飞机/发动机一体化气动设计工作带来挑战。
使用通气短舱进行CFD计算及风洞试验，进行发动机影响流场分析及位置优化，国内外已开展过类似工作[5-10]。但关于民机高涵道比大尺寸发动机的的气动研究内容并不多见。本文针对某跨声速民机构型，使用经过流量匹配设计的高涵道比通气短舱[11]，在经布局权衡选定的短舱基准在翼位置基础上，从气动影响角度，分别改变前伸量、下沉量、俯仰角和内撇角，研究短舱在翼位置对飞机升阻特性、表面压力分布和空间流场的影响，为民机高涵道比发动机安装位置优化提供借鉴。虽然展向位置对机身/机翼/发动机之间的气动干扰有一定影响，但更多的是总体和气动布局问题，不列入本文研究范围。
1 短舱在翼位置参数如图 1所示，以短舱展向在翼位置的机翼剖面前缘点为参考点，短舱外表面后缘上零纵(上零纵即短舱外表面后缘最高点)为安装定位点。通过以下参数确定短舱弦向安装位置：短舱展向在翼位置的当地机翼剖面弦长c；前伸量x/c，安装定位点与参考点水平距离与c的比值，短舱向前为正；下沉量h/c，安装定位点与参考点竖直距离与c的比值，短舱向下为正。
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图 1 短舱弦向安装位置定义 Figure 1 Parameter definitions of engine installation position (chord-wise) |
通过以下参数确定短舱安装角度：俯仰角α，短舱轴线与机身水平面夹角，短舱前缘上偏为正；内撇角β，短舱轴线与机身对称面夹角，短舱前缘内偏为正。
关于发动机弦向安装区间，总体布局主要考虑发动机进气道唇口离地间隙、前起折断/故障、转子爆破、以及发动机反推气流与增升装置部件干涉等。气动设计要考虑流道高度和贯入量的综合影响，关注机身/机翼/挂架/短舱之间的气动干扰。短舱安装角度要考虑发动机来流方向与发动机轴线关系。将满足上述条件的某一短舱安装位置作为基准，在基准安装位置基础上，分别改变短舱前伸量、下沉量、俯仰角、内撇角，研究这些参数对升阻特性的影响。相对于基准安装位置，前伸量Δx/c序列为(-2%，0%，2%，5%，13%)，下沉量Δh/c序列为(-6.0%，0%，6.0%)，俯仰角Δα序列为(-3.0°，-1.5°，0°，1.5°)，内撇角Δβ序列为(-1°，0°，1°)。从气动影响研究的参数完整性角度，选取上述位置，其中部分位置是不满足短舱安装的总体布局要求。
2 数值模拟对带通气短舱飞机构型进行CFD数值模拟，分析发动机进排气影响，进而开展短舱在翼位置及机翼/挂架/短舱一体化气动设计，是目前型号设计中的主流方法。
2.1 计算网格使用ICEM-CFD软件生成孤立短舱(NACE)、翼身组合体(WB)、以及机身/机翼/短舱组合体(WBN)的六面体网格。孤立短舱网格数约320万。为了进行CFD对比分析，WB、WBN的网格拓扑及网格分布较一致，网格单元数相近，分别为1400万和1500万左右。
通过网格拓扑和网格分布设计，并通过正交性、扭转角、长细比等多种网格质量判据的检验，保证CFD计算网格具有良好的正交性、连续的网格过渡以及在流动复杂区域有足够的网格密度捕捉流动细节。部分网格拓扑、表面网格和空间网格如图 3所示。
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图 2 NACE构型空间网格分布 Figure 2 Mesh for isolated TFN |
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图 3 WBN构型计算网格 Figure 3 CFD mesh for WBN configuration |
为研究高速巡航状态下，短舱安装以及短舱不同在翼位置对升阻特性的影响，选取表 1所示计算工况。
| 表 1 计算工况 Table 1 CFD study cases |
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CFD求解包括以下边界条件：a)远场边界条件：采用远场无反射边界条件；b)物面边界条件：应用固壁无滑移绝热条件；c)短舱边界条件：采用通气短舱，应用物面边界条件；d)对称面边界条件：计算工况无侧滑角，使用半模计算网格，对称面上展向速度为0。
2.3 计算软件和数值方法使用CFX5软件进行流场求解。使用基于格点的隐式守恒的有限体积法[12-13]离散RANS方程。方程离散使用了类似于Barth和Jesperson迎风格式的有界高分辨率对流格式[14]。动量方程中的雷诺应力通过SST两方程湍流模型和自动壁面处理来计算。通过Rhie和Chow算法计算质量流[15]，从而实现了压力-速度耦合。
图 4为AIAA第二届阻力预测会议(DPW2)上，针对有、无挂架/短舱的DLR-F6翼身组合体，CFX软件结果与风洞试验的对比[16]。CFX软件能够模拟构型变化的阻力差量，可用于本文短舱不同在翼位置的气动特性影响预测。
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图 4 有、无短舱/挂架的DLR-F6翼身组合体CFX计算与风洞试验升阻极曲线对 Figure 4 Measured and computed drag polar for the DLR-F6 configuration without (WB) and with (WBNP) engine pylons |
图 5给出相同来流条件下，前伸量x/c=0%时，不同短舱下沉量WBN构型的CFX求解收敛曲线。阻力收敛范围在0.5cnts(cnts：无量纲阻力单位，1cnts = 0.0001)以内；且不同位置的WBN构型气动特性数据收敛历史具有一致性，如CL、CD在第500收敛步同时到达波谷。本文CFD方法的收敛精度及不同构型之间收敛的一致性，能够提高不同在翼位置气动特性数据差量的预测精度。除了CFD软件求解精度以外，CFD求解的收敛精度主要由网格质量来决定；收敛历史的一致性主要通过不同在翼位置WBN构型之间网格、计算收敛控制参数的一致性来实现。
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图 5 不同下沉量WBN构型CFX求解CD收敛曲线 Figure 5 CD Convergence history of CFX for WBN configurations with different downward installation positions |
短舱安装阻力CDInst、干扰阻力CDInterf定义为：
| $ {C_{D{\rm{Inst}}}} = {C_{D{\rm{WBN}}}} - {C_{D{\rm{WB}}}} $ | (1) |
| $ {C_{D{\rm{Interf}}}} = {C_{D{\rm{Inst}}}} - {C_{D{\rm{NACE}}}} $ | (2) |
根据上述阻力定义及CFD结果，得出CL=0.55时：
| $ {\left( {{C_{D{\rm{NACE}}}} + {C_{D{\rm{WB}}}}} \right)_{{C_L} = 0.55}} \approx {\left( {{C_{D{\rm{WBN}}}}} \right)_{{C_L} = 0.55}} + 6{\rm{cnts}} $ | (3) |
机翼在设计过程中考虑了短舱安装气动影响。所以，相同升力系数下，WBN构型(基准安装位置)的阻力较WB、孤立短舱阻力之和还小，WBN构型的短舱和机翼/机身部件之间为有利气动干扰, 也表明通过合理安排发动机位置，是可能获得有利气动干扰的。
3.2 流场特征短舱周向等角度分布的24个Cp取值剖面如图 6所示，从短舱上零纵开始，经短舱内侧旋转一周，角度依次对应0°、15°、30°, …, 345°，图 6还显示出近短舱的机翼展向剖面位置。
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图 6 短舱、机翼Cp取值截面 Figure 6 Nacelle and wing sections for pressure distribution analysis |
图 7给出基准安装位置WBN构型与WB构型、孤立短舱构型的机翼、短舱表面压力分布对比。较WB构型，短舱后缘收缩角改变了机翼前方来流迎角，机翼前缘吸力峰减弱。受短舱内涵影响，机翼下表面吸力峰减弱。机翼前缘附近流场受机翼前缘驻点区影响，短舱外表面后缘压力升高。
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图 7 短舱安装前后机翼、短舱Cp分布对比 Figure 7 Cp comparisons with/without nacelle |
图 8给出的短舱周向空间截面压力云图直观解释了上述压力分布规律。值得注意的是，对于后掠机翼，短舱在内侧与机翼前缘有较大的弦向重叠区域，相互之间的气动干扰更大。
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图 8 基准安装位置WBN构型不同空间截面压力分布 Figure 8 Cp distribution on different cross-sections for WBN configuration of original installation position |
近短舱空间截面展向速度分量分布及空间流线如图 9所示。机翼前缘驻点附近的高压区、横向流效应与短舱后缘收缩角整流作用叠加，对短舱后缘和机翼前缘、下表面流动造成影响。随着短舱弦向位置及安装角度的变化，短舱、机翼之间的影响会发生一定程度的改变。
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图 9 近短舱空间截面展向速度分量分布及空间流线 Figure 9 Volume streamlines and the distribution of the span-wise velocity |
随前伸量变化，WBN构型气动特性数据见表 2，表中WBN构型的CL、CD、CDCL=0.55值均为相对基准位置WBN构型的差量。CDCL=0.55曲线如图 10所示。由图 10可见，随着短舱前移，相同迎角下，升力增加，阻力增加。CDCL=0.55比较接近，与基准安装位置的差量在0.5cnts以内。
| 表 2 不同前伸量气动特性数据 Table 2 Aero data for different forward installation positions |
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图 10 CDCL=0.55随前伸量变化曲线 Figure 10 Variation of CDCL=0.55 with forward installation position |
图 11给出不同前伸量的机翼、短舱表面压力分布对比。随着短舱前移，短舱外侧周向剖面后缘与机翼前缘越来越远，压力分布变化不大；短舱内侧剖面后缘越来越靠近机翼前缘，压力分布受机翼前缘高压区影响越来越大。受短舱尾端收缩角及后缘压力恢复影响，短舱内外两侧机翼剖面压力分布呈规律性变化。压力分布的变化，体现了第3节所述短舱安装气动影响规律。
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图 11 不同前伸量机翼、短舱Cp分布对比 Figure 11 Cp comparisons for different forward installation positions |
随下沉量变化，WBN构型气动特性数据见表 3，CDCL=0.55曲线如图 12所示。随着短舱下沉，相同迎角下，升力、阻力略有减小。CDCL=0.55与基准位置的差量在1cnts以内。
| 表 3 不同下沉量气动特性数据 Table 3 Aero data for different downward installation positions |
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图 12 CDCL=0.55随下沉量变化曲线 Figure 12 Variation of CDCL=0.55 with downward installation position |
随俯仰角变化，WBN构型气动特性数据见表 4，CDCL=0.55曲线如图 13所示。随着短舱上仰，相同迎角下，升力、阻力增加。与基准位置相比，α＜1.5°，CDCL=0.55的差量在1cnts以内；α=1.5°，CDCL=0.55增加3.3cnts，此时，短舱阻力特性变差。压力分布如图 14所示。
| 表 4 不同俯仰角气动特性数据 Table 4 Aero data for different engine tilt angles |
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图 13 CDCL=0.55随俯仰角变化曲线 Figure 13 Variation of CDCL=0.55 with engine tilt angle |
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图 14 不同俯仰角短舱Cp分布对比 Figure 14 Cp comparison on the nacelle for different tilt angles |
随内撇角变化，WBN构型气动特性数据见表 5，CDCL=0.55曲线如图 15所示。随着短舱内撇，相同迎角下，升力、阻力减小。CDCL=0.55与基准位置的差量在1cnts以内。
| 表 5 不同内撇角气动特性数据 Table 5 Aero data for different toe angles |
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图 15 CDCL=0.55随内撇角变化曲线 Figure 15 Variation of CDCL=0.55 with engine toe angle |
本文从气动影响角度，分别改变短舱基准安装位置的前伸量、下沉量、俯仰角和内撇角，研究不同位置参数变化对WBN构型升阻特性、压力分布和流场的影响。通过研究，得出以下结论：
(1) 短舱在翼位置气动影响分析对CFD软件的气动特性差量预测能力要求较高，在1cnts以内；本文的CFD计算收敛精度在0.5cnts以内，且不同在翼位置构型的收敛具有一致性，阻力差量预测精度满足气动影响分析要求。
(2) 本文机翼的气动设计考虑了短舱安装影响，CL=0.55时，机翼/机身与短舱部件干扰阻力为-6cnts，存在有利干扰。表明在飞机/发动机一体化设计过程中，通过精细气动设计获得近距耦合有利气动干扰的可能性。
(3) 短舱后缘与机翼前缘流动存在较强气动干扰。短舱后缘收缩角对机翼前方来流方向的影响、短舱后缘压力恢复、机翼前缘驻点附近高压区、横向流等因素相互作用，影响了短舱后缘和近短舱机翼展向剖面压力分布。随着短舱在翼位置变化，短舱、机翼之间的相互影响发生一定程度的改变。
(4) 短舱前缘压力分布主要受流量系数、短舱姿态及短舱前方来流方向影响。弦向位置变化对短舱前缘压力分布影响小。
(5) 与基准位置相比，α=1.5°时，短舱阻力特性恶化，CDCL=0.55增加3.3cnts，其他位置处的CDCL=0.55与基准位置的差量在1cnts以内。
| [1] |
陈迎春. C919飞机空气动力设计[J]. 航空科学技术, 2012(5): 10-13. (  0) |
| [2] |
陈光. 高涵道比涡轮风扇发动机发展综述[C]//大型飞机关键技术高级论论暨中国航空学会2007年学术年会论文集, 2007: 782-790.
( 0) |
| [3] |
廉莜纯, 吴虎. 航空发动机原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2005.
( 0) |
| [4] |
李杰, 巨亚斌. LEAP-X发动机和Tech-X发动机先进技术分析[J]. 航空制造技术, 2013(10): 56-59. DOI:10.3969/j.issn.1671-833X.2013.10.009 ( 0) |
| [5] |
方宝瑞. 飞机气动布局设计[M]. 北京: 航空工业出版社, 1997.
( 0) |
| [6] |
雷熙薇, 桑为民, 段卓毅, 等. 运输机短舱挂架纵向位置优选数值研究[J]. 空气动力学学报, 2011, 29(5): 658-663. ( 0) |
| [7] |
胡晓东, 王豪杰, 李杰. 翼吊布局民机发动机短舱位置优化研究[J]. 应用力学学报, 2011, 28(4): 366-371. ( 0) |
| [8] |
高正红, 黄江涛. 机翼-机身-挂架-短舱复杂流场数值模拟[J]. 应用力学学报, 2009, 26(4): 747-751. ( 0) |
| [9] |
邱亚松, 白俊强, 黄琳, 等. 翼吊发动机短舱对三维增升装置的影响及改善措施研究[J]. 空气动力学学报, 2012, 30(1): 7-13. ( 0) |
| [10] |
Rossow C C, Godard J L, Hoheisel H, et al. Investigations of propulsion integration interference effects on a transport aircraft configuration[C]//AIAA/SAE/ASME/ASEE 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1992. AIAA 92-3097.
( 0) |
| [11] |
胡仞与, 张冬云, 施永毅. 民机低速风洞试验通气发房设计[J]. 民用飞机设计与研究, 2014(4): 7-9. ( 0) |
| [12] |
Raw M J. Robustness of coupled algebraic multigrid for the Navier-Stokes equations[R]. AIAA 96-0297, 1996.
( 0) |
| [13] |
Schneider G E, Raw M J. Control volume finite-element method for heat transfer and fluid flow using collocated variables computational procedure[J]. Numerical Heat Transfer, 1987, 11(4): 363-390. DOI:10.1080/10407788708913560 ( 0) |
| [14] |
Barth T J, Jesperson D C. The design and application of upwind schemes on unstructured meshes[R]. AIAA 89-0366, 1989.
( 0) |
| [15] |
Rhie C M, Chow W L. Numerical study of the turbulent flow past an airfoil with trailing edge separation[J]. AIAA Journal, 1983, 21(11): 1525-1532. DOI:10.2514/3.8284 ( 0) |
| [16] |
Langtry R B, Kuntz M, Menter F R. Drag prediction of engine-airframe interference effects with CFX-5[J]. Journal of Aircraft, 2005, 42(6): 1523-1529. DOI:10.2514/1.12728 ( 0) |