必须跨过的门槛！航空动力的关键技术

　　性能优良可靠的航空发动机代表了工业技术的最高水平。毫不夸张地说，离开优秀的发动机，再优秀的飞机设计也只能存憾。

　　超级计算机的贡献

　　现代航空发动机主要是涡扇，基本原理不复杂，但在高度优化的过程中，具体技术已经发展到非常复杂的程度，而恶魔总是在细节之中。

　　典型涡扇发动机由风扇、高低压压气机、燃烧室、高低压涡轮和喷口组成，民航常用的高涵道比涡扇实际上由风扇产生最大份额的推力，风扇推力与内涵道推力之比恰好就等于涵道比。理想涡桨的涵道比无穷大，内涵道的推力可以忽略不计。直升机用的涡轴则取消风扇，但喷口不产生推力，喷流驱动自由涡轮，转换成轴功率，通过减速齿轮驱动旋翼。这些涡轮类发动机在原理上共用核心机，也就是包含高压压气机、燃烧室和高压涡轮的部分。

　　压气机在原理上好比电风扇。压气机对着管道吹风，需要可调的导流片和固定的静子把螺旋形前进的气流矫直，但气流与导流片、静子、机匣壁、转轴的交互作用使得发动机内流动情况高度复杂。这还不光是一个三维的问题，时间也是一个因素。比如叶片转速增加，导致流速提高，气流旋转速度也相应提高，但增加有一个过程，要过一段时间才稳定到新的稳态。另外，叶尖速度以声速为极限，达到或者超过声速要引起激波，不光对机匣和相邻叶片造成严重敲击，还严重影响压气效率。压力波在空气中以声速传递，激波是空气速度达到声速后压力波堆积造成的，密度极大提高，锋面好比石墙一样。在空气流道里形成石墙，无疑要造成发动机窒息。实际叶尖速度以为极限。但声速是随空气的温度、密度变化的，压气机对空气逐级压缩，声速实际上是逐步提高的。因此在发动机正常转速下，压气机叶片的叶尖线速度超过了典型大气条件下的声速，就是这个道理。为了尽可能提高压气机的出力，每一级的叶片和静子都要当前级的极限和压缩要求分别分析、设计。

　　通过高性能计算机的帮助，现在工程人员可以精确模拟出喷气发动机燃烧室的工作情况。

　　传统上，这些复杂现象只有用风洞来观察。但风洞试验耗费很大，而且实验和观察条件有一定的限制，严重限制了发动机技术的发展。在只有计算尺的年代，发动机内部的流体力学计算只能在宏观层面上进行，局部现象和边界现象都无法有效处理。计算流体力学将整个系统划分为无数细小的单元，每一个单元里建立动态的能量、质量、动量的动态平衡，计算温度、压力、密度、速度、流向分布，把所有的局部现象和边界现象都考虑进去，使得高精度动态数字仿真成为可能。这相当于虚拟的风洞实验，可以在调整设计的过程中一遍一遍地反复，实际观察修改效果。这是非常有力的分析和设计工具，与计算机辅助制造系统连接起来，可以精密设计和制造每一片叶片、导流片、静子，达到最优性能。

　　燃烧室是另一个很有挑战的设计问题。优秀的燃烧室设计不光提高出力和燃烧效率，还降低氮氧化物和二氧化碳的排放。但高温条件下的复杂流动不容易用风洞观察，动辄1 650摄氏度的工作条件，没有观察窗或者摄像头能耐受这样的高温。燃油需要在喷入燃烧室的时候形成均匀细密的雾滴，空气要在高速稳定的流动中与燃油雾滴均匀混合，点火要做到可靠、平滑，燃烧要稳定传播。由于燃烧室的温度高于耐热合金的熔点，必须靠冷却技术才能稳定持续地工作。冷却空气来自高压压气机的引流，虽然也有几百度的温度，但比燃烧室的温度低多了。燃烧室内尽管设计要求是均匀混合，均匀燃烧，但实际上还是有热点、冷点，冷却用来均衡这些温度差别，使得燃烧室可以达到最大出力和最高效率，避免短板造成的性能损失。另一方面，冷却气流在流动和换热过程中，逐步吸收热量，逐步升温，冷却效果也逐步下降。因此，冷却气流温度、流量、路径、分布需要与燃烧室内的温度分布紧密配合，才能保持壁温均匀。

　　燃烧室毕竟还是静态部件，涡轮（尤其是高压涡轮）不仅具有和燃烧室一样的耐高温要求，涡轮本身还在高速旋转，可达转/分。强大的离心力不仅对结构材质构成巨大的考验，旋转本身对冷却设计的挑战更大。涡轮叶片是空心的，但进气在翼根，出气在叶片表面。这些微孔的分布和方向很有讲究，不仅要克服离心力把气流“甩”向叶尖的自然倾向、保证内部气流流场和温度均匀分布，还要在叶片表面形成层流，达到最大的隔热效果。气流在物体表面的流动有层流和湍流之分，后者是紊乱的混合，传热快，但前者是“长幼有序”的分层平稳流动，层与层之间的换热不好，形成隔热效应。问题是，叶片表面受到高速旋转和燃烧室的高温燃气冲刷的影响，流场高度复杂。叶片转速和燃气速度还随发动机出力而变，通用电气的LEAP发动机还根据工况自动调节冷却气流的流量，在低推力的时候降低冷却气流流量，改善油耗，这些因素都进一步增加了问题的复杂性。

文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1103/336.html