二元保形非对称膨胀喷管流场特性研究

利用数值模拟方法对一种与无人飞行器后体一体化设计的二元保形大宽高比非对称膨胀喷管在地面状态的流场特性进行了研究,获得了尾喷管推力性能和三维流动特征随落压比的变化趋势。结果表明：虽然二元保形非对称膨胀喷管沿横向存在非等强度膨胀,但在研究范围内最佳落压比仍主要取决于上方短膨胀面结束位置面积与喉道面积之比;沿横向不等强度膨胀诱发的二次流及旋涡流动能够增强环境冷流与喷流之间的掺混;在研究的落压比范围内,随着落压比的增加喷管的推力性能变化很缓慢。     

二元非对称喷管可调方案试验研究

 针对某二元非对称喷管提出了两种可调方式(方案A和方案B),开展了不同落压比(NPR)的喷管风洞试验,获得了喷管壁面压力分布和流场纹影。根据风洞试验条件,进行了详细的三维数值模拟研究,并与试验结果进行对比,两者吻合良好,验证了本文所采用的数值模拟方法的可靠性。根据数值模拟与试验结果,得出了两种方案推力性能的差异。其中,方案B(喉道和出口面积均可调节)较方案A(仅喉道面积可调节)面积膨胀比更接近喷管理想膨胀比,因此方案B推力性能较好。在落压比为3.8时,方案B较方案A推力系数提高了8%。     

轴对称矢量喷管壁面静压分布的试验研究

在模拟实际发动机喷管落压比的情况下, 利用轴对称矢量喷管的缩比模型, 对其壁面静压分布进行了试验研究。研究结果表明, 当矢量偏转后, 轴对称矢量喷管的收敛段与扩张段内流场均呈现出复杂的三维流动的特征; 当喷管落压比小于完全膨胀落压比时, 喷管内部存在周向不对称的斜激波和分离区, 且激波位置随几何矢量角的增大而前移。本文的研究结果可用于检验喷管三维流场的计算精度。      

非对称大膨胀比喷管研究

通过风洞试验研究了平面二维非对称大量膨胀比喷管跨声速飞行时的喷管特性。研究表明，无二次流的基准喷管在试验压比下，膨胀面气流严重分离，轴向力推力系数Cfx仅为0．29－0．58。带二次流的喷管试验显示，二次流能有效地抑制管膨胀面气流的分离，改善喷管的总体性能。恰当地选择二次流气动参数，喷管的Cfx可以增加至0．97左右，最大流量系数接近0．99。在试验的条件下，最佳的二次流相对喉道高度约为0．25。     

下腹板长度对单边膨胀喷管性能的影响

在落压比为4~60范围内,对两个不同下腹板长度的单边膨胀喷管模型进行了试验研究,得到了其壁面静压分布,并对4种不同下腹板长度的喷管模型进行了数值模拟研究,获得了总体性能参数.结果表明:在整个落压比范围内,喷管流动都呈现很强的三维特征,而且在高落压比条件下上膨胀面两侧边气流出现了横向分离.喷管轴向推力系数峰值随下腹板长度增大而增加,峰值对应的落压比也逐渐增大并趋近设计点.在落压比为30~80范围内,轴向推力系数随着下腹板长度增大而增加,在设计点轴向推力系数的最大值和最小值相差约1.8%;在特定低落压比条件下,较短下腹板长度的喷管具有高的轴向推力系数.气流矢量角随下腹板长度增加而增大,在设计点最大值和最小值分别为6.03°和-1.83°.      

涡轮发动机可调收扩喷管最优面积比

为了分析影响可调收扩喷管最优面积比的因素及其对最优面积比的影响程度,应用MATLAB软件对特定结构喷管的推力系数进行了最优值求解,得到了特定状态下喷管面积比的最优解(对应最大推力系数)。不同于传统的固定喷管,特定结构的可调喷管推力系数最大值并非对应完全膨胀状态,而是对应略微欠膨胀的状态。给出了使用这一优化结果的可调收扩喷管推力系数与使用1维等熵完全膨胀公式计算的推力系数的对比分析。结果表明:采用最优面积比的喷管具有更大的推力系数且对最优面积比影响较大的因素是可用落压比和喉道面积。     

单边膨胀喷管气动和红外辐射特性数值研究

通过计算流体动力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法,研究了单膨胀边倾角、喉道高度、侧壁长度和落压比(NPR)对单边膨胀喷管(SERN)气动性能和红外辐射特性的影响.研究结果表明:轴向推力系数随着单膨胀边倾斜角度增大而急剧减小,推力矢量角随着单膨胀边倾斜角度增大而增大;随着喷管落压比的增大,轴向推力系数先增大后减小,推力矢量角减小;随着喷管侧壁长度的增加,轴向推力系数可略微提高;单膨胀边对尾焰和喷管内壁有显著的遮挡作用,喷管下方的整体红外辐射仅为上方的10%左右;随着喷管落压比的增加,喷管上方的整体红外辐射降低.      

非对称喷管超声速流场的PIV实验与数值模拟

选取了跟随性能以及散射性能都上佳的二氧化钛粒子,利用了粒子图像测速仪(particle image velocimetry,PIV)对不同落压比下的非对称喷管(single expansion ramp nozzle,SERN)流场进行了测量,成功获取了相应流动结构,以及沿程上壁面压力分布和速度场等.在测得的图像中,可以清晰地观察到由于过膨胀产生的激波与膨胀波系,并进一步获得出口速度分布.运用计算流体动力学数值模拟方法,对实验状态下的非对称喷管进行了模拟.对比结果发现:PIV实验测得流场结构能很好地与其吻合,这互相验证了CFD计算和PIV实验的正确性及可靠性.      

截短单边膨胀喷管的试验和数值模拟

基于最短长度理论喷管设计程序,获得了设计点为马赫数6.5时单边膨胀喷管(Single ExpansionRamp Nozzle,SERN)等熵膨胀型线,并对其截短70%后的喷管进行模型设计和加工。通过试验和数值模拟结合的方法,研究了模型喷管在不同压比下的流场结构和性能。结果表明:喷管长度截短70%对推力性能影响不大,在所有典型压比下,喷管截短70%后推力系数与原喷管相差不超过1%。该喷管截短70%后,其推力系数在落压比大于60时仍能达到0.95以上,随着喷管压比的继续降低,喷管推力系数迅速降低,性能恶化,喷管在过膨胀状态下的性能应该得到重点关注。     

单边膨胀矢量喷管气动和红外特性研究

在实验数据验证的基础上,通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合的方法,对不同落压比、不同几何矢量角下的单边膨胀喷管(SERN)进行分析。研究结果表明:喷管无几何矢量动作下,低落压比下的单膨胀边上过度膨胀是造成喷管推力性能急剧下降的原因;喷管在负矢量角下,过度膨胀加剧,推力性能降低;随着喷管几何矢量角绝对值的增加,矢量推力增加,但推力系数减小,喷管几何矢量角在±25°、喷管落压比在3~6的研究范围内,喷管推力系数最低为0.88左右,最高达0.98;喷管几何矢量角为5°时,喷流红外辐射强度最大,喷管矢量角偏离5°的程度越大,尾焰红外辐射强度越低,但是空间分布规律不变。随着喷管几何矢量角的改变,喷管整体红外辐射强度的空间分布规律发生改变,几何矢量角为负时,辐射强度值大的探测角度向下方移动,几何矢量角为正时,喷管整体红外辐射较强的位置分布在上方,由单膨胀边高温壁面以及喷管内腔的可视面积决定。     

线性塞式喷管外流干扰数值计算与冷流试验

采用有限体积法对由塞锥截短率为25%的线性塞式喷管和升力体构成的塞式喷管运载器风洞冷流试验模型进行仿真计算,并结合试验测量结果,研究了不同高度(压比)下外流对线性塞式喷管流场结构和性能的影响.结果表明,外流干扰导致线性塞式喷管内流过膨胀和横向侧流强度增加,并影响塞锥底部气流的受限流动;低空工况下外流的存在造成塞锥壁面和底部压强降低以及运载器底部阻力增加,喷管性能损失较大;高空工况下塞锥壁面和底部的压强已经不再受外流的影响,喷管性能损失较小,主要由运载器底部阻力损失造成.      

发动机总体与尾喷管三维并行设计研究

为解决某型涡扇发动机尾喷管改型中的流量匹配问题,利用iSIGHT软件平台集成零维发动机性能计算程序和三维混合室和尾喷管的流场计算程序,运用数值缩放(Zooming)技术,实现了混合室和尾喷管型面以及进出口面积的自动修正,解决了尾喷管和发动机流量匹配的问题,并准确地反映了混合室和尾喷管三维流动效应对流量系数、推力系数以及发动机工作点的影响.该方法可为实现涡扇发动机其它部件的Zooming技术提供有意义的参考.      

强制偏流喷管的实验研究

介绍了整体级概念及强制偏流喷管，分析了喷管内的流场与外蜀压力变化的关系。在实验参数相同的条件下进行了与普通锥形喷管的对比实验，并测定了在发机工作过程中扩散段的压力变化，结果表明，该喷管具有良好的推力性能和自动补偿外界压力变化的能力。     

高超声速飞行器后体喷管三维构型设计

为研究高超声速飞行器后体喷管三维构型的设计,以NASA半壁喷管试验为参考,进行了二维及三维内外流相互作用的数值模拟计算,分析了后体喷管三维流场的特点.从高超声速飞行器机身推进一体化的角度,构建了后体喷管三维构型,进行了不同构型设计对后体喷管性能影响的参数研究.结果表明:后体喷管的三维效应不可忽视,后体喷管侧壁的存在及下壁面长度对性能影响较大.      

升力体飞行器尾喷流模拟气动力试验方法研究

尾喷流对升力体高超声速飞行器的气动特性影响显著,风洞喷流模拟测力试验是研究升力体飞行器尾喷流干扰效应的重要手段。在尾喷流模拟气动力试验中,选取恰当的喷流模拟参数,以及克服喷流供气管路对天平测力的干扰以提高测量精准度,是需要解决的关键技术。在 CARDC 的Ф1米高超声速风洞中,研究了采用冷喷流模拟、飞行器整体模型测力的升力体飞行器尾喷流模拟测力试验方法。通过优化模型结构设计、选用小干扰的喷管分断缝隙密封措施,解决了带尾喷流模拟条件下的升力体飞行器气动力精确测量问题,提高了带喷流气动力试验数据精度,接近常规气动力试验的水平。     

波瓣喷管引射系统的初步实验研究

对具有相同出口面积的波瓣喷管和圆喷管两种引射系统,在低压比条件下进行了引射能力和混合效率的对比研究,同时对波瓣喷管引射系统的三维流场进行了测试。结果表明：与圆喷管相比,波瓣喷管可使引射系统的引射能力和混合效率得到显著的改善,其原因在于波瓣喷管能够在其尾缘形成大尺度的轴向旋涡和较低的静压。     

高超声速飞行器后体/尾喷管一体化设计

采用实数编码、小生境技术、稳态复制策略、多目标定级排序技术,改进了标准遗传算法,建立了多目标遗传算法,并将其应用于高超声速飞行器后体/尾喷管的一体化设计,以尾喷管的推力、升力和附加俯仰力矩系数为性能目标,得到了优化问题的Pareto最优前沿面,优化结果显示了设计变量与性能目标之间的关系,并提出了建议的外形方案。该优化算法可进一步推广应用于包含更加精确的流动模型的优化设计当中。     

大型飞机后体流动控制及减阻机理研究

通过数值模拟方法研究了大型飞机机身后体的流动特征和机理,并采用涡流发生器对机身后体流动分离进行控制,分析了其控制减阻的机理,讨论了不同参数对减阻效率的影响。计算结果表明:大型飞机机身后体流动分离是导致巡航阻力增加的一个重要因素;在后体底部附近安装涡流发生器,当来流迎角为负时减阻效果较明显,随着迎角的逐渐增大,减阻效果降低;涡流发生器的尺寸、周向距离、安装在机身后体上的前后位置、安装角度等参数对减阻效果具有显著影响。     

宽高比对尾向可见明火矩形喷管红外抑制特性影响研究

以国外某型先进无人机上使用的涡扇发动机为基础,缩比4.3倍得到轴对称收敛喷管AR0,并在出口面积相同的条件下改变喷口形状得到5组不同宽高比(W/H=1～1)的矩形喷管模型(AR1～AR1).用傅立叶红外光谱仪对喷管与热喷流在3～5 μm波段上的红外辐射进行了测试.研究发现,与轴对称喷管相比,矩形喷管减小了红外源的辐射,起到了明显的红外抑制作用,并且其红外抑制特性随着宽高比的增大是逐渐增强的.