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晨枫小苑

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西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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进气口边界层控制种种  

2010-02-12 13:15:14|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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喷气飞机的进气口当然就是给发动机“喂”空气的,空气应该平顺地进入发动机,或者说,在发动机的正面,每一点上空气的流速、压力应该是一样的。但实际上, 即使是“平顺”的所谓层流,即空气流动的方向是一致的,没有横七竖八的现象,由于空气是有粘性的(尽管很低),空气和物体表面的摩擦使接近表面的流速下 降,而远离表面的“自由空气”的流速相对均匀。实际空气在接近物体表面时经常不是层流状态,而是涡流状态,流速、方向都是混乱的。下图来自NASA网站, 比较好地定义了边界层。

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水平的箭头表示这一点空气的流速,箭头越长速度越快。可以看到,越接近物体表面,流速越低。层流(laminar flow)的流向至少还是一致地从左向右,但涡流(也叫湍流,turbulent  flow)就可以打转转了。在理论上,物体表面这一点上的流速是零。 从流速开始下降到物体表面这一段,在流体力学里称为边界层,或者附面层,都是一个意思。

显然,如果发动机进气口的半径大大超过边界层的宽度(通常确实如此),那发动机的进气效率就要受到影响,最坏的情况就是压缩机失速,也就是说,压缩机叶片 “吃”不到空气,好像轮子打滑一样。更坏的情况是压缩机喘振,也就是压缩机“吃”不到空气,拼命“喘气”,导致大量空气涌入,然后“呛住”,再缓一口气, 然后又“吃”不到空气,这样反复。这可能导致叶片损坏或者发动机熄火。

在低速飞行时,边界层较薄,问题不是很严重。速度越高,边界层问题越大,所以进入超音速飞行以后,边界层控制变成飞机-发动机一体化设计的一个大问题。

除非取消进气道,把发动机压缩机直接暴露在“干净”空气中,边界层不可能完全消除,进气道壁也会形成边界层。但这是专门设计的,比较好控制,通常不是个问 题。边界层问题的最大来源是机体。机体外形是为全机气动而设计的,不能太迁就发动机的进气道边界层控制。最简单的边界层控制就是使发动机进气口远离机体。 民航客机的翼下发动机吊挂在机翼下,就没有边界层控制问题。早期机头进气的喷气战斗机也没有这个问题,事实上,这是早期喷气战斗机广泛采用机头进气的一个 重要原因。

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吊挂在自由空气中的翼下发动机没有边界层控制的问题

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翼下吊挂发动机的Me-262也没有这个问题

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机头进气的喷气战斗机同样没有边界层控制问题,至少在速度较低的时候

但即使在喷气战斗机的早期,边界层控制问题已经得到重视。早期喷气发动机“脾气”很大,弄不好就要失速、熄火,所以一切能够帮助发动机稳定工作的措施都不能忽视。洛克希德F-80是美国第一种具有实战能力的喷气战斗机,两颌进气道就采用了边界层分离板。

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洛克希德F-80的进气口边界层分离板

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F-22也是一样

当然,边界层不是光分离出去就解决问题的,这部分呆滞空气还是要有出路,否则积聚在这个死区里,分离板很快就失去作用了。如何把呆滞气流泄放出去就成为各种边界层控制机制的特色。下面是几种典型的做法。

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F-80将兜进边界层分离板内侧的呆滞空气从后上方的泄气口排放出去

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F-22进气口后上方的菱形阴影部分其实就是加了格栅的边界层泄气口

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诺思罗普F-89就直接把进气口悬挂在机体之外,边界层呆滞气流由进气口内侧和机体之间的间隙自然泄放出去

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法国“阵风”也是异曲同工

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麦道F-15其实也是一样

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还有F-14

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麦克唐纳F-101和诺思罗普F-89的做法相似,但反其道而行之,不是把进气口悬挂在机体之外,而是用一块板把进气口和机体隔离开来

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麦道F-4“鬼怪”式上更加明显

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中国的歼-8II也是同样处理

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歼-10把两侧进气口转移到机腹,其他方面还是一样的

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F-16进气口两侧的泄流道更加清楚一点

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欧洲“台风”也是一个意思

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麦道F-18C也用分离板

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但泄气道通向机翼上表面,出口在翼根扰流片的旁边,利用上表面的低压提高泄气效率,但这样做带来一定的升力损失,因为这相当于机翼下表面到上表面的一个“短路”

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印度的LCA也是这样做的

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F-18E取消了通向上机翼上表面的泄气口,而是把呆滞气流横向泄放到机翼下表面,这样泄放的效率低,但是机翼升力损失小

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所以F-18E的翼根上表面不再开泄气口

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台湾的IDF也是这样做的

除了用分离板分离,另一个办法就是吸气,把边界层吸除了,同样可以达到使进气口流速分布均匀的目的。这最早是在没有办法用分离板的机头进气情况,如苏联为预研米格25而研制的米格E-152研究机。诺思罗普YF-23也采用了吸除法分离边界层。

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米格E-152的这张图片不清楚,但在圆锥底部周围,有一圈小孔,用于吸除边界层。尽管这是机头进气,但速度太快了,中心调解锥形成的边界层开始成为一个问题,一定要有所处置

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诺思罗普YF-23的进气口没有常见的分离板,而是在天花板上开了很多小孔(进气口前黑色区域),用于吸除边界层

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这是细节,但现在用板盖住了

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这张示意图能够看到翼根上表面泄气口的位置。这样阻力最小,而且利用上表面形成升力的低压自然吸除边界层,速度越快,边界层问题越显著,吸除的效果也越好,构思很巧妙

边界层分离的另一个办法是不分离,而是用一个鼓包把边界层“剖”开,导向进气口两侧泄放。现在很红火的DSI就是这个意思。但这不是现在的发明,早在喷气时代的开始,英国德哈维兰“吸血鬼”战斗机就是用的这个。

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“吸血鬼”的设计没有现在的DSI那么优美,但意思是一样的,把贴着机身的边界层“剖”开,导向进气口两侧。由于早期流体力学设计手段的局限,对于横向“溢出”到进气口的边界层部分没有很好的控制手段

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F-35的DSI就要先进多了,对横向“溢出”气流也有很好的控制

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这个计算流体力学的示意图显示了气流分布情况,容易看到,边界层大部分沿鼓包的两侧被分离掉了,只有很少部分进入进气道
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