二元收扩喷管设计参数对气动性能影响的数值研究

采用正交试验设计方法进行喷管气动性能数值模拟算例的设计,综合研究了二元收扩喷管8个设计参数对气动性能的影响,研究的设计参数包括圆到矩超椭圆型面过渡段几何参数（长径比、横截面积变化率、长半轴变化率、短半轴变化率）和主喷管段几何参数（喉部宽高比、喉部型面半径比、收敛半角、扩张半角）,并且对喉部宽高比、喉部型面半径比、收敛半角、扩张半角等4个参数对喷管气动性能影响的灵敏度进行了分析.结果表明:喉部型面半径比R_W/R₈是二元收扩喷管气动性能影响的最主要参数,因此在喷管设计中应尽量增大R_W/R₈,尤其是在收敛半角α较大时,增大R_W/R₈可使喷管气动性能明显增大;喉部宽高比不是二元收扩喷管气动性能影响的主要参数;二元收扩喷管的气动性能几乎与过渡段型面无关.      

高超声速风洞轴对称喷管收缩段设计

开展了高超声速风洞轴对称喷管收缩段设计研究。利用构造的AQA分段曲线,分析喉道上游圆弧长度和喉道曲率半径是否连续对于喉部跨声速流动和喷管出口流场的影响。设计了基于三角函数和双曲函数、B样条函数的两种收缩曲线,借助控制参数使得出入口曲率半径任意可调。采用数值模拟方法分析了喉道曲率半径是否连续对于Cresci和Sivells喷管出口流场的影响。研究表明:喉道曲率半径连续是确保喷管无黏流场与设计流场一致的关键;当无法保证喉道曲率半径连续时,应使喉道上游曲率半径比下游曲率半径偏大而不是偏小。     

超声速短化喷管的设计与实验研究

利用Bézier曲线构造轴向马赫数分布,采用特征线方法计算喷管壁面型线,结合跨声速理论,提出了一种实用的短化喷管设计方法。对设计制成的喷管进行流场校测,并与数值模拟的结果进行比较分析,结果表明:喷管内部膨胀均匀,出口流场品质很好,可用于超声速风洞以及其它对流场品质有较高要求的应用场合。     

三维喷管设计

为了简化设计过程并获得满意的设计性能，以圆转方和圆转矩形喷管为例，对已有的三维喷管型面设计方法进行比较和总结，运用数值方法分析了型面转换起始位置和喷管出口高宽比的确定，提出了一套三维型面的直接生成方法，并给出相应的设计准则。经过实际设计和加工的检验，证明了设计方法的工艺可行性。在能够保证三维喷管的制造工艺条件以及冷却通道布置要求下，型面转换的起始位置可以尽量接近喉部；喷管出口截面的宽边不要超过窄边的1．5倍，应尽量接近于方形。     

多单元直排塞式喷管数值模拟和性能分析

为了了解不同圆形喉部方形出口内喷管和不同内喷管倾角及不同塞锥型面对塞式喷管性能的影响，选择更好的塞式喷管设计方案，从曲线坐标下的三维平均雷诺N-S方程出发，用κ-ε两方程湍流模型封闭方程组，采用二阶精度无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)，发展了模拟塞式喷管三维流场的数值程序。计算了具有不同转方位置、不同转方后型面和不同出口圆角内喷管的性能。比较了不同设计参数对塞式喷管性能的影响，通过比较得到了较为优化的结论。     

基于响应面法的火箭发动机喷管型面优化设计

针对已知某型火箭发动机的燃气参数,对比了维托辛斯基、双三次、五次曲线及基于维托辛斯基的移轴法设计的收缩段型面喷管性能,其中移轴法得到喷管性能较优;采用单一变量法计算分析了喷管型面参数(初始扩张段圆弧半径、扩张段出口半角、扩张段长径比、扩张段扩张角以及收缩段长径比)对喷管性能影响规律,喷管出口推力随着初始扩张段圆弧半径以...     

抛物线喷管型面参数对流动分离影响的数值模拟

为了研究抛物线喷管型面的3个参数——初始膨胀圆弧半径、入口角和出口角的变化对喷管流动分离过程的影响规律，模拟了不同参数组合下的抛物线喷管流场参数，获得了喷管流动位置、分离模态随集气室压强增加的变化过程.结果表明:这3个参数能够影响发动机起动过程中喷管流场的发展过程.在一定范围内分离模态转换喷管压比（NPR）与初始膨胀圆弧半径呈正相关；通过合理设定入口角和出口角，可以推迟和缩短受限激波分离过程，为解决彭冠侧向载荷问题提供了可能的方向.      

塞锥型面简化与截短对塞式喷管性能的影响

用NND差分格式求解N－S方程，对截短直锥塞式喷管和用特征线法设计的截短型面锥塞式喷管的流场和性能进行了比较。成功地捕获了流场激波、膨胀波及反射压缩波，计算结果与实验数据吻合较好，对不同型面塞式喷管在不同高度下的推力性能和塞锥截短对发动机性能的影响。研究表明，相同长度的截短直锥发动机总推力比型面锥塞式喷管发动机低1％－1.5%；相对30％截短型面塞锥发动机，50％截短型面塞锥发动机的总推力可提高约2.5%。     

两种气动推力矢量技术的数值模拟研究

对两种收扩喷管推力矢量控制技术:激波矢量控制技术和喉部偏移控制技术,进行了流场计算和性能比较。本研究中,喷管进口至喉部几何型面固定,扩张段长度为定值,二次流喷射位置、角度保持不变,采用CFD数值模拟方法计算喷管膨胀比不同时的流场。从计算结果可以看出,喉部偏移控制技术适用于膨胀比小于1.5的收扩喷管,而激波矢量控制技术适用于膨胀比大于1.5的收扩喷管。喉部偏移控制技术的特点在于其可以限制喷管主流流量,影响主、次流流量比的主要因素为二次流与主流的总压比。     

超声速/高超声速双拐点喷管设计

为实现直连式试验台、高温风洞等试验设备的多马赫数运行,提出了双拐点喷管设计方法.喷管分2段设计,第1段共用,采用3次B-Spline函数描述喷管轴线马赫数分布.首先采用特征线方法求解Euler方程,得到无黏的理想喷管型面.其次采用参考温度方法求解边界层位移厚度,对无黏壁面进行修正得到实际壁面.共用段喷管出口的平行均匀流作为第2段喷管设计的初值.为验证设计方法的可行性,设计了中间马赫数为3.0,出口马赫数分别为4.0,4.5和5.0的双拐点喷管,并采用雷诺平均的Navier-Stokes方程对设计的喷管流场进行数值模拟.计算结果表明:喷管出口流场均匀,试验菱形区的马赫数误差小于1.2%.该方法提高了喷管设计精度,保证消波干净,为直连式试验台、高温风洞等设备的多个喷管共用一套动力系统提供了基础.      

喉部结构对微喷管性能的影响

以FLUENT6.1为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩N-S方程,模拟了喉部有无圆弧过渡以及不同的喉部曲率半径对扩张比为5.4的收缩-扩张微喷管x方向质量流速和总压力影响,进而研究了对微喷管的流量系数和推力效率影响.数值计算结果表明:喉部有无圆弧过渡以及不同的喉部曲率半径,将会影响微喷管出口处x方向的质量流速和总压力分布,随着微喷管喉部特征雷诺数的增大,相对应微喷管最大流量和推力的微喷管喉部曲率半径也相应增加.      

型面旋转变马赫数风洞喷管的优化设计

型面旋转的变马赫数可调风洞喷管因其能够实现出口马赫数的连续快速变化、调节容易和流场品质较好等优点,成为目前地面变马赫数风洞研究的热点。将出口马赫数范围为2.0~4.0的变马赫数风洞喷管作为研究对象,基于iSIGHT和Fluent等软件搭建了适于该风洞喷管的优化设计平台,研究了型线设计中设计点马赫数、初始膨胀线和附面层修正量等因素对变马赫数出口流场的影响,应用NSGAⅡ算法在依据试验设计点所构建的Kriging近似模型上搜索,得到最优的风洞喷管基准型线,并对该基准型线进行二维、三维数值仿真校核,结果显示：通过旋转优选得到的基准型线能够得到马赫数范围为2.0~4.0的变马赫数出口流场,且流场均匀性基本满足固定型面、单设计点风洞喷管的国军标（GJB-1179-91）合格指标,为变马赫数可调风洞喷管在变马赫数风洞中的实际应用奠定了良好的基础。     

喉部形状设计对微喷管内流动及性能的影响

采用连续介质方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法数值模拟研究了喉部宽度为34μm的二维Laval型微喷管内流场的流动状况.设计了三种不同喉部形状的微喷管:尖角型、圆角型和平角型.计算分析了喉部形状、扩张比等方面对流场结构及推进性能的影响.研究发现,圆角型微喷管的综合性能最优,平角型微喷管具有较大的比冲效率;适当增大扩张比能提高微喷管的性能.      

水下超声速气流流场非定常特性研究

上浮水雷在工作过程中环境压力大幅度变化，针对上浮水雷火箭发动机具有三种不同工作状态（欠膨胀、完全膨胀、过膨胀）的特点，采用VOF两相流模型，建立了水下火箭发动机在不同工作状态喷射流发展的轴对称计算模型，分别在来流速度0m/s和50m/s两种工况下，研究了水下发动机在不同工作状态时喷射流发展规律及流场脉动特性。结果显示，在静水条件下，欠膨胀工况时颈缩发生位置距喷管出口较远，流场压力和喉部流量没有发生脉动现象，其它工况时颈缩发生位置距喷管出口较近，完全膨胀工况和过膨胀工况喷管出口最大压力振幅分别为5.5MPa，7MPa；喷管喉部流量振动幅度约为5.2%，32.8%；在有流速条件下，三种工作状态发生颈缩、胀鼓和回击现象的位置距离喷管出口较远，完全膨胀喷管出口最大压力振幅为2MPa，喷管喉部流量未发生脉动特性，过膨胀工况喷管出口最大压力振幅6.1MPa，喉部流量振动幅度30.4%。     

多单元圆转方塞式喷管的性能计算和分析

采用NND差分格式求解三维平均雷诺N-S方程的数值方法, 对多单元圆转方塞式喷管的性能进行了计算.首先比较了钟型喷管、二维喷管、圆转方喷管、方形喉部方形出口喷管的流动特点和性能, 然后研究了转方位置、转方后型面和出口圆角对圆转方内喷管性能的影响以及圆转方结构型式、内喷管倾角、塞锥型面变化对塞式喷管性能的影响, 并且给出了具有较高性能的多单元圆转方塞式喷管设计方案.研究结论对于多单元圆转方塞式喷管的优化设计有一定的参考作用.      

喉部不对称对微喷管性能影响

以FLUENT 6.1软件为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩Navier-Stokes(N-S)方程,模拟了微喷管内超声速流体流动,分析了喷管喉部结构不对称对喷管内部的流场和喷管性能的影响.这种喉部结构不对称是由于喉部上下顶点在x方向偏离一定距离所造成的.数值计算结果表明,喷管喉部在流体流动方向的不对称,将导致喷管内部流体流场不平衡性,使得流量增大,喷管出口的x方向推力增加,y方向产生了多余的推力.      

膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法

为了提高流线追踪喷管设计方法的灵活性，从推力和力矩两方面考虑，引入特殊中心体，探索了壁面膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法.设计过程中利用特征线理论（MOC）实现了由膨胀规律求解气动壁面的反设计.针对基准流场的主要设计参数，包括膨胀规律、中心体及斜倾角等进行了参数化研究，得到了设计参数对基准流场结构及性能的影响规律.利用该基准流场，设计了矩形截面的流线追踪喷管(导出喷管)，并进行了分析.结果表明:利用特征线理论可以实现膨胀规律到壁面的反设计；在进口参数和落压比一定的条件下，存在一定的膨胀规律使得基准流场的内推力最大；流场的中心体尺度和长度比对推力影响很小，可作为调整导出喷管力矩的设计参数；出口斜倾角增大会导致基准流场的长度减小，同时推力下降明显，设计时应综合考虑.      

结构参数对圆转矩形喷管换热的影响

为了解结构参数对圆转矩形内喷管再生冷却换热的影响，设计了多个圆转矩形喷管，考虑了三种结构参数：转方位置、出口高宽比和出口圆角大小的影响。采用有限体积法求解三维可压缩的N-S方程对其内部流动和换热进行了数值模拟。湍流模型采用标准的k-ε双方程模型，壁面附近的流动和传热采用壁面函数法处理，速度与压力的耦合采用SIMPLE算法求解。结果表明：在型面一阶导数连续的情况下，转方位置对圆转矩形内喷管的换热影响不大；出口高宽比对圆转矩形内喷管的换热影响较大，出口高宽比不能太小，否则影响内喷管流场和换热；出口圆角大小影响内喷管周向上的温度分布，圆角太小造成周向温度分布不均匀。     

2m×2m超声速风洞全挠性壁喷管气动设计及动态调试结果分析

中国空气动力研究与发展中心自行设计的2m×2m超声速风洞于2010年底建成,它是一座直流、暂冲式风洞,采用了全挠性壁喷管技术。喷管总长18m,具有马赫数1.5～4.0的十多个型面,每个型面通过24对撑杆的伸缩实施成型。该喷管的气动设计采用了具有连续曲率的Sivells设计方法,并用Maxwell方法对其进行了边界层修正。该喷管采用实验影响法进行了喷管型面的动态调试,个别型面还采用了二次修正。调试结果显示,在各设计马赫数下,试验段模型区流场指标均优于GJB先进指标,表明该喷管的气动设计是成功的。     

某发动机可调喷管流场数值分析

为了对可调喷管进行优化设计,需要深入研究可调喷管的流场特点。针对某发动机可调喷管在慢车状态、最大状态和全加力状态的流场进行了二维数值模拟,获得了速度、压力、温度的变化规律,并计算得到三种状态下的发动机推力。进一步对可调喷管实际多边形内型面流场进行了三维数值模拟,结果表明:轴向流动规律与近似圆形内型面喷管一致;径向壁面转角附近温度下降较慢,速度上升较慢;出口总压比近似圆形内型面喷管小4.9%,流动损失较大;速度、静压、温度变化在1%左右。