0 引言

民用飞机气源系统作为飞机的三大能源系统之一，从发动机引气，为下游空调、机翼防冰、惰化等系统提供气源。由于从发动机压气机引出的气体温度较高（最高时达到近700℃），为了避免高温气体对下游用气系统的损害，气源系统通常采用预冷器对高温气体进行调温冷却，由发动机外涵道为预冷器提供冷却气源。

风扇进气入口（简称Scoop）作为连接发动机外涵道和预冷器冷边封头的进气通道，为预冷器输送冷却气体，实现对高温引气的调温。通过某型国产民用大型客机开展的地面台架试验发现，风扇进气入口的气动外形，对气源系统性能具有很大的影响，如果设计不合理，会导致内流场分布不均、极易引发共振导致设备破损的隐患，导致飞机安全性大幅降低。气动设计是民机型号研制中非常基础和重要的一环。参考文献^[1]表明美国波音公司在研制波音787客机中广泛采用了CFD数值模拟技术进行发动机短舱的设计。参考文献^[2-8]介绍了几种典型的飞行器气动外形设计方法，包括反设计方法、基于梯度的优化设计方法和基于进化的优化设计方法等，并分析了几种设计方法的特点。中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院围绕基础理论和关键技术难点，开展专项技术攻关，设计了多种构型的风扇进气入口^[9-11]。

本文结合多年的型号设计经验，提出一套新的风扇进气入口气动外形设计方法，并结合三维CFD计算进行分析评估，经过试验验证后，设计结果符合预期。

1 设计要求与流程

Scoop气动外形的设计需要满足如下要求:

1）安装环境的要求:风扇进气入口的气动外形必须满足发动机的安装设计要求，如安装位置、尺寸和间隙要求等。

2）稳态性能要求:要满足气源系统在各种工作状态下所需的进气量，尤其要满足在设计状态的进气量，不致影响气源系统的调温性能，通常以公式（1）所示的总压恢复系数衡量稳态性能。

式中，σ为总压恢复系数; P_to为Scoop出口总压，Pa; P_ti为Scoop入口总压，Pa。

3）瞬态性能要求:当Scoop不引气时，即成为一个死腔，因此要保证在所有运行状态下，Scoop内部不会出现过大的瞬时压力波动，以免造成结构的破坏。

进气道种类按飞机的最大巡航飞行速度分为亚声速进气道和超声速进气道两大类。气源系统Scoop安装于发动机风扇后的BIFI型面上，不属于发动机主进气道，同时，本文主要研究民用飞机的Scoop，其飞行状态均处于亚声速，因此参考亚声速进气道形式进行设计。

Scoop设计作为气源系统设计的一部分，应该遵循民用飞机设计的一般原则与流程，其气动外形设计需满足气源系统和发动机系统的设计需求和设计约束，Scoop气动外形设计的流程包括需求和设计目标论证，气动布局、气动外形设计、验证评估、设计冻结等几个过程，如图1所示，下文将进行详细介绍。

2 设计点选取原则

Scoop的性能随飞机的飞行速度、飞行高度和发动机的工作状态而变化。在整个飞行包线内，Scoop的设计不可能使进气道都具有良好的性能。通常在选取设计点时，选择整个飞行状态中Scoop运行工况最严酷的状态点，即通过Scoop的流量最大时的状态点，此时，气流流速最大，对应的压降最大。

为了反映Scoop与气流流量的匹配性，以Scoop修正流量最大的状态点作为Scoop的设计点。Scoop修正流量如公式2所示:

式中:W_c为Scoop修正流量; W为流过Scoop的实际流量，kg/s; T_FAN等于T_o/288.15，T_o为Scoop出口处的气流总温，K; P_FAN等于P_o/101 293，P_o为Scoop出口处的气流总压，Pa。

3 气动外形设计方法

Scoop的气动外形设计包括进口设计、出口设计和中间型面设计。

3.1 进口面积设计

入口面积的选取，按照质量连续方程，结合设计经验，计算公式如公式（3）所示:

式中:A_i为Scoop入口面积，m²; K为考虑冷却射流及附面层吸除等流量放大系数，无量纲; W_c为Scoop修正流量; q（λ₀）为发动机风扇导流片后气流气动系数，无量纲，q（λ₀）的计算公式如公式（4）所示:

式中:λ₀表示速度系数，λ₀＞0，λ₀与马赫数的计算关系如公式（5）所示:

式中:γ=1.4。

公式（3）中，$\mathrm{\varphi }$为Scoop流量系数，无量纲，其计算公式如公式（6）所示:

式中:A₁为Scoop气流在远前方的预入流管总面积，m²; A₂为Scoop唇口截面积，亦称进口捕获面积，m²; 上述A₁和A₂均为垂直于自由流方向的截面积。

确定入口面积以后，根据入口截面的类型，可以完成Scoop入口形状的确定。

3.2 出口面积设计

通常情况下，Scoop下游与风扇空气活门连接，此时，Scoop出口的尺寸和形状由风扇空气活门法兰盘所限定。当进行自由设计（无下游法兰盘和BIFI型面限制），可参考公式（7）计算出口面积。

$A_{\mathrm{o}}=24.7311\frac{K\cdot W\sqrt{{\mathrm{T}}_{\mathrm{o}}}}{P_{o}q\left({\lambda }_0\right)}$

式中:A_o为Scoop出口面积，m²; K为考虑冷却射流及附面层吸除等流量放大系数，无量纲，气源系统Scoop中气流不涉此项修正，可取K=1.0; W为流过Scoop的实际流量，kg/s; T_o为Scoop出口处的气流总温，K; P_o为Scoop出口处的气流总压，Pa; q（λ₀）为出口处的气动系数，无量纲，计算方法参见公式（4）。

3.3 中心线设计

进气通道由中心线及面积变化规律确定，因为Scoop形状非规则，所以中心线在入口与出口之间具有纵向和横向偏距，其偏距的计算方式如公式（8）至公式（11）所示。

式中:Δy为Scoop进出口纵向偏距; Δz为Scoop进出口横向偏距; x为沿流向坐标; y（x）为中心线纵向坐标; z（x）为中心线横向坐标; L为Scoop沿流向长度; A_i、A_o分别为Scoop进、出口面积; A（x）为Scoop沿流向截面积; a_i、b_i和c_i为各公式的参数变量，需要满足公式（12）所示的关系:

参考文献^[12]，公式（12）中各参数变量的取值范围为:a₂，b₂，c₁∈[-3，3]; a₃，b₃，c₂∈[-8，4]; c₃∈[-3，3]; a₄，b₄∈[0，6]。

为了保证Scoop内流能够更加合理，需要再对中心线进行一定约束，如在Scoop末端需要保持一段等值段，需要满足公式（13）至公式（15）的约束条件:

1）入口连续性条件:

2）入口法向约束:

3）中心线出口光滑性约束:

4 几何参数化生成

结合第3章所述设计方法，考虑基于CATIA软件进行二次开发，形成具备参数化设计的二次开发平台工具AutoScoop，AutoScoop是基于CATIA软件的CAD功能，采用COM基础之上的Automation技术，应用软件的编程接口（API），基于VB的CATIA二次开发调用CATIA API函数，通过API与CATIA通信，实现对CATIA的操控，驱动CATIA自动化的完成Scoop气动外形设计。AutoScoop软件工具可以完成受发动机BIFI型面、下游风扇进气入口（FAV）法兰盘约束/不受约束的设计，不同入口/出口类型设计等。其主要技术特点包括:

1）约束设计（发动机BIFI型面、下游风扇进气入口（FAV）法兰盘约束）;

2）自由设计;

3）四边形入口+入口法向控制;

4）椭圆形入口+入口法向控制;

5）带入口、出口约束的高阶Scoop中心线控制。

AutoScoop人机界面如图2所示，图3为通过AutoScoop生成的基于自由设计的某型号飞机气源系统Scoop。

5 仿真与试验评估

按照图1所示流程，对图3所示的Scoop气动外形进行三维CFD仿真评估，验证Scoop的稳态和瞬态性能对设计要求的符合性。将图3所示Scoop安装于某型号发动机短舱内，结合短舱理论外形，对模型进行简化处理后，采用Fluent软件进行三维仿真分析，边界条件设定方法详见表1。

图4为Scoop进口和出口处的总压云图，通过对Scoop进出口总压进行计算，可以得出总压恢复系数，将计算数据与设计要求值进行对比，可以确定Scoop稳态性能是否符合设计要求。

图5为经过CFD仿真计算的Scoop出口中心点处总压随时间的变化曲线，图6为上述Scoop进行相同工况下的风洞试验得出的同样位置处的总压变化曲线，通过对比可以发现，仿真值和试验值在压力波动的幅值和频率方面，吻合度较好，说明仿真方法可以准确反映实际情况。同时，由下图数据可知，总压的波动幅值控制在1 psi以内，可以满足Scoop瞬态性能的要求。

6 优化研究与讨论

基于上述工具和方法，对影响Scoop性能的各几何参数进行优化研究，提炼各几何参数对Scoop性能的影响结果，进而对Scoop设计提供工程建议与参考。由于篇幅所限，本章仅讨论入口中心点位置、入口长宽比对Scoop性能的影响。

图7反映了Scoop入口中心点位置对总压恢复系数的影响。从图7可以看出，入口中心点y坐标（飞机航向）对总压恢复系数影响较小; 总压恢复系数（σ，无量纲）受到x坐标（垂直方向）分布的影响较大，x坐标越小，总压恢复系数越大。

图8为Scoop入口长宽比（CBK）对总压恢复系数（σ，无量纲）的影响。将Scoop入口长宽比从1~7区间进行取样，进行计算后，得到13组计算结果，从图8可知，入口长宽比对Scoop总压恢复系数的影响规律明显，长宽比在2~6范围时，总压恢复系数随长宽比线性增长，当长宽比大于6时，总压恢复系数降低。

7 结论

本文主要介绍了民用飞机气源系统风扇进气入口气动外形的设计流程和方法。明确了Scoop的设计要求，提出了Scoop入口面积、出口面积和中心线的计算方法。采用几何参数化建模的方式，基于CATIA软件二次开发了Autoscoop程序，该程序能够将Scoop的性能要求，转换成气动外形的物理参数，并且调用CATIA软件，直接生成Scoop的气动外形。随后通过仿真和试验的方法，对生成的Scoop进行性能评估，实现了Scoop气动外形设计的闭环。

通过对影响Scoop性能的几何参数进行优化研究，得出了Scoop入口中心点位置和入口长宽比对总压恢复系数的影响规律，可以为后续工程设计提供参考和指导。实践证明，通过该方法设计的Scoop气动外形，能够很好地满足Scoop的性能要求，大大提高了设计效率。

参考文献