旋转坐标系气水两相流中的水滴运动规律及边界造型策略研究

The aircraft engine safety is a big challenge faced by large-airplane development project for water/rain ingestion. In the rain/fog weather, the engines will swallow a large amount of water from the atmosphere. It is necessary to make the water flowed into bypass duct not to the core engine for the safety of the engine. The compression progress of the engine will experience a two-phase flow with complex aerothermodynamics for rain ingestion. The interaction of the water droplets and the air, the droplet/rotating wall impingement will affect the droplets motion and the compression process. In this project, the water droplets motion characteristics in rotating frame will be investigated by the experimental study and numerical simulation. And the strategy based on the changes of the spinner and hub contouring to regulate the water droplets trajectory in rotating frame will be analyzed, which is aimed for the optimization of the droplets distribution at the core and bypass plane.

雨雾环境下飞机发动机的安全性是我国大飞机专项正在面临的一个极具挑战性的难题。飞机在雨雾天气飞行时，大量的雨水会被吸入发动机内，要在进入核心机之前将大部分雨水甩至外涵气流中以确保发动机安全性。水滴随气流进入发动机内是非常复杂的气水两相流动过程，在经过进口旋转整流锥、风扇叶片等旋转部件的作用后，实现在内外涵的重新分配。水滴在此旋转坐标系内与空气的相互作用以及与旋转固体边界的撞击将影响其在流场中的运动规律，进而影响风扇/压气机的压缩过程。本项目拟通过实验研究和数值模拟相结合的方法，分析水滴的跟随性、气动破碎、水滴与进气整流锥、风扇轮毂和风扇叶片等旋转固体边界的撞击行为以及水滴在离心力作用下的径向迁移规律。并通过对进气整流锥与风扇轮毂等旋转边界的造型，调控水滴在旋转坐标系中的运动轨迹，实现对内外涵雨水分布的优化，为满足雨雾环境适航要求的发动机设计提供理论基础。

飞机在雨雾天气飞行时，大量的雨水吸入发动机会形成极为复杂的气水两相流动过程。当吸雨量与发动机进气量超过一定比例时，就容易引起发动机性能恶化，甚至造起发动机空中熄火停车而酿成飞行事故。在前期多次与中航工业商用发动机有限公司的交流中发现，在解决发动机吸雨问题上主要面临两方面的问题。一方面，由于缺乏相应的实验条件，所采用的分析工具与设计手段缺乏有效的实验验证；另一方面，由于风扇出口内外涵的雨水分布特性不清晰，导致对压气机核心机含水压缩问题的研究缺乏真实有效的进口条件，也无法形成提高吸雨稳定性的设计准则。.基于上述两方面点问题，本项目主要完成了以下研究内容：1）完成了低速轴流压气机实验台的雨雾实验改造。喷水量和喷水粒径满足发动机适航标准要求。安装了实验台进气整流锥传动机构，形成旋转坐标系下带整流锥的压气机雨雾实验条件。该实验台将为我国自主研发的大飞机发动机提供高湿环境下压气机性能测试关键技术，还可以为地面燃气轮机的湿压缩提供压气机性能测试和研究平台。2）本项目在压气机试验台上进行了大量的雨雾环境压气机模拟实验，在此基础上，对不同雨雾条件下的压气机特性以及在典型机匣处理方式下的压气机特性进行了系统深入的研究，分析了典型机匣处理方式和雨雾的相互作用，获得了一些有益的结论，对压气机稳定性以及发动机雨雾环境适航认证具有一定的科学意义和工程价值。3）完成了安装不同进气整流锥的压气机喷水实验。由于旋转整流锥对含水气流的离心力作用，使得聚集于叶顶部分的水量增加，叶顶间隙内的含水量改变了叶顶间隙的形态，使叶顶间隙区域的流动变的更加复杂，导致压气机性能发生变化。4）完成了水滴进入发动机内基本过程的分析，建立了压气机气水两相流的传热传质过程分析与模型，完成了压气机内的水滴气动破碎、撞击叶片行为的理论和数值分析。