进气口边界层控制种种

晨枫

原载西西河

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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。

  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。

吊挂在自由空气中的翼下发动机没有边界层控制的问题

翼下吊挂发动机的 Me 262 也没有这个问题

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。

洛克希德 F-80 的进气口边界层分离板,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

F-22 也是一样

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