轴对称矢量喷管运动学建模及运动轨迹分析

轴对称矢量喷管为复杂的空间多链路机构,是推力矢量技术的核心。为研究其运动规律,将空间机构位置分析法、解析几何法和环路矢量法相结合,建立了轴对称矢量喷管的空间运动学模型。利用数值仿真实现了其运动姿态的仿真,并通过与ADAMS仿真结果对比,验证了该模型的正确性,进而获得轴对称矢量喷管在不同驱动方式下的位姿以及喉口和喷口的面积变化规律。结果表明：喉口状态和喷管运动状态对喷管面积比均有影响,面积比随着A9作动筒的同步伸长呈明显单调递增状态;A9作动筒异步驱动时,喷管面积比变化较小,喷口矢量偏转角角速度与作动筒运动速度呈比例关系,截面形状由圆形逐渐变为空间上扭曲的椭圆形;拉杆尺寸对喷管机构的面积比变化范围有明显影响,拉杆每增大（或减小）1 mm,面积比变化区间整体上移（或下移）0.025。仿真结果有助于了解喷管的运动规律,可为喷管的参数化分析及优化设计提供理论依据。     

轴对称矢量喷管空间运动学建模仿真

为了获得轴对称矢量喷管动态偏转轨迹的最优路径,提出了1 种基于运动学位移解算的解决方法。通过空间运动约束 分析建立了描述轴对称矢量喷管复杂空间运动的平衡方程,经解算建立了描述矢量角与作动筒位移映射关系的2 维插值模型。基 于运动学模型仿真中喷管喉道截面与出口截面几何中心距离不变的结论,建立矢量角与中心坐标的简化关系并设计各控制周期下 矢量角动态指令偏转规律。仿真结果表明：该解决方案基本可以保证动态偏转下矢量轨迹满足预期要求。     

轴对称矢量喷管偏转效率的快速分析方法

提出了一种骨架与A8滚子间柔性线线高副约束的简化算法,在该算法和模态综合法相结合的基础上构建了轴对称矢量喷管（AVEN）的刚柔耦合动力学模型,并遵循力的叠加原理和能量等效原则实现了热态气动载荷的等效简化和实时加载。基于该算法的仿真结果与实验误差约为4%,具有较高可信性;而与采用接触的模型对比仿真表明,二者精度相当,而前者更加稳定高效,能将单工况的计算时间从三天缩短到半小时;针对轴对称矢量喷管的某中间和加力典型工作状态,采用该算法模型对比分析了关键件柔性对轴对称矢量喷管偏转效率的贡献,最终发现：A9环是偏转效率的主要影响因素,占比超过94%。仿真结果表明,该算法模型本身就是一种效率与精度兼顾的稳定仿真方法,而A9环对偏转效率的影响占比表明,使用仅考虑A9环柔性的刚柔耦合模型将是轴对称矢量喷管偏转效率仿真的一种更加高效的快速估算方法。     

S弯D形矢量喷管参数化设计及气动特性研究

为了满足战机对垂直/短距起降能力的要求,基于曲率控制方法对具有D形出口的S弯喷管进行参数化设计,进而可实现喷管尾段的大角度偏转。随后对不同偏转角、落压比以及设计参数的S弯D形矢量喷管气动特性进行数值模拟,对比并分析了喷管的气动特性。计算结果显示：无偏转条件下,随着落压比π从1.5增大至3.5,喷管流量系数先增大后平稳,在π=2.5时达到最大值,推力系数先增大后减小,且推力方向为飞行器产生一定的抬头力矩;落压比恒定时,随着偏转角度从0°增大至90°,喷管流量系数、推力系数下降,矢量超前角由负值不断增大至+6°左右;设计参数中预留偏转角对喷管气动性能影响较大,而S弯中心线控制系数对气动性能影响较小。本文提出的S弯D形喷管具有较好的气动性能,小偏转角度下矢量角变化趋势较为一致,亦可通过出口段偏转实现发动机推力的大角度矢量偏转。     

轴对称矢量喷管有效喉道调节方法

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程对轴对称矢量喷管内流场进行了数值模拟,分析了不同落压比下轴对称矢量喷管有效喉道及流量系数随矢量偏转角的变化规律.研究发现:矢量偏转角超过一定值时,轴对称矢量喷管有效喉道位置发生倾斜,有效喉道面积减小,流量系数降低,矢量偏转角越大落压比越低,流量系数降低幅度越大.根据研究结果提出了一种针对矢量偏转状态的轴对称矢量喷管有效喉道调节方法,方法以落压比和矢量偏转角为输入参数,考虑了轴对称矢量喷管几何喉道面积调节前后流量系数的变化.该调节方法能够为发动机控制系统提供更精准的输入,提高控制精度,矢量偏转前后流量相差不超过0.4%,调节时间缩短至少10%,可为推力矢量发动机工作状态调节提供参考.      

塞式矢量喷管热态内流特性试验

为了获取塞式矢量喷管的几何偏转角（0°、10°、15°）和落压比（2～6）对喷管的总压恢复系数、推力系数和气动矢量角的 影响规律,开展了塞式矢量喷管热态内流特性试验研究。试验结果表明：在非偏转及偏转状态下,塞式喷管的总压恢复系数均高于 0.99,表明喷管具有良好的内流特性;塞式喷管在低的可用压比情况下仍具有较高的推力系数,验证了塞式喷管在较低的可用压比 情况下仍具有较高的推力系数;在几何偏转角固定时,气动偏航角基本稳定;在几何偏转角为15毅时,气动矢量角最大可达15.5毅, 即喷管气动偏转角度与几何偏转角度相匹配,二者呈正比关系。     

塞锥形状和偏转角对轴对称塞式喷管气动性能的影响

塞式喷管是1种具有质量轻、红外隐身效果好等优点的典型喷管.为分析矢量偏转角和塞锥的几何参数对涡扇发动机轴对称塞式矢量喷管排气系统气动特性的影响,采用CFD方法进行了数值模拟研究.结果表明:尾喷流随喷管偏转而有效偏转,推力系数随矢量偏转而减小,在高空状态下较为严重.在地面状态下偏转20°时的推力系数较无矢量偏转时减小了1.2％,在高空状态下偏转20°时的推力系数减小了2.5％;塞锥前体的导圆半径变化没有使气流分离,对气动性能影响不大;塞锥后体长度增加使喷管内部压力提升,塞锥尾缘低压区缩小.     

计算机模拟试验在矢量喷管研究中的应用

以UG和MSC／NASTRAN、MSC／PATRAN为软件平台，对中国燃气涡轮研究院提供的轴对称矢量喷管(AVEN)方案的运动机构进行了三维实体建模、运动仿真和有限元强度分析等方面的研究。通过运动学仿真模拟出了喷管的实际运动状态，分析了喷管机构运动的可行性和可控性，并对运动时各构件间的相互关系(如干涉、散度等)及运动极限状态进行了研究，得出了该运动机构的最大矢量角以及作动环偏转角与喷管矢量角之间的关系。同时利用有限元通用分析软件对关键零件进行了有限元强度校核，校核结果表明能满足强度设计的要求。     

喷管面积比对推力矢量发动机特性的影响

针对矢量喷管出口面积独立无极可调控制的特点,采用数值仿真分析了偏转状态喷管面积比对矢量特性的影响机理,通过整机地面台架和高空台专项试验,获取了不同喷管面积比下推力性能、偏转推力损失、偏转效率、发动机匹配特性等数据。结果表明：非偏转状态发动机产生最大推力的喷管面积比小于气流完全膨胀对应的理论喷管面积比。发动机偏转推力损失随几何矢量角增加而增大,喷管面积比对偏转推力损失影响较小。地面台架状态相同几何矢量角下,矢量偏转效率随着喷管面积比的增大而降低,当喷管面积比达到一定值时,会出现气流分离使偏转效率进一步降低。在相同几何矢量角下,随着喷管面积比的增大,发动机节流状态转差减小,风扇工作线下移,靠近非偏转状态工作线,风扇裕度增加,工程应用中偏转状态的扩稳措施应考虑与喷管面积比的关联。     

1种新型增推喷管的数值研究

针对轴对称喷管,利用数值方法研究了其出口形成的气动喉道的控制射流参数对喷管推力系数的影响。计算结果表明:射流控制能在喷管出口处形成气动喉道,即所研究喷管成为新型的固-气双喉道喷管,减小了喷管的有效出口面积,使其膨胀更完全,从而能够有效增大过膨胀喷管的推力系数。同时,射流角度对喷管出口实际面积和流场有一定的影响,顺向射流能获得更好的增推效果。     

轴对称推力矢量喷管运动奇异性分析

通过建立轴对称推力矢量喷管(AVEN)的构型分岔方程,运用连续同伦方法,研究了AVEN装置驱动机构和扩张调节片导引机构的构型分岔特性,发现,无论推力矢量喷管是否发生偏转,当以喷口面积作为分岔参数时,AVEN装置都存在转向点奇异位置;当以矢量偏转角为分岔参数时,AVEN装置不存在奇异位置。当AVEN装置处于非矢量状态时,扩张调节片导引机构处于多重奇异位置状态。转向点奇异位置和扩张调节片导引机构多重奇异位置,将导致AVEN装置的运动输出具有不确定性,影响含AVEN装置飞机的空中飞行安全。      

AVEN装置运动奇异性分析

研究了AVEN装置驱动机构的构型分岔特性和扩张调节片导引机构RRSR运动链的构型分岔特性,发现,无论是否发生偏转,当以喷口面积作为分岔参数时,AVEN装置都存在转向点奇异位置;当以矢量偏转角为分岔参数时,AVEN装置不存在奇异位置。当AVEN装置处于非矢量状态时,扩张调节片导引机构RRSR运动链处于多重奇异位置状态。转向点奇异位置和RRSR运动链的多重奇异位置,导致AVEN装置的运动输出具有不确定性,影响含AVEN装置飞机的空中飞行安全。     

Vector deflection stability control of aero-engine based on linear active disturbance rejection

Aimed at the problem of instability in engine control caused by vector deflection in experiment of turbofan engines with Axisymmetric Vectoring Exhaust Nozzle (AVEN), a vector deflection stability control method of aero-engine based on Linear Active Disturbance Rejection Control (LADRC) is proposed. Firstly, based on CFD numerical simulation, aerodynamic performance model of AVEN is established, and the aerodynamic load change rule of the nozzle throat area actuator during vector deflection is revealed. Subsequently, the integrated model of AVEN/turbofan engine is established by Simulink/AMESim co-simulation. Finally, the nozzle throat area control loop based on LADRC is designed. The simulation results show that the integrated model can reflect the influence of vector deflection on the stability of the control system. The accuracy comparison between the fan rotor speed and the test data during vector deflection is larger than 1%, indicating a high degree of confidence. Compared with the conventional PID control, the designed LADRC control loop reduces the speed of the low-pressure rotor during vector deflection by 70%, which effectively improves the control stability of the vector deflection. Meanwhile, the fuel flow ratechange during the vector deflection process is smaller and more economical, which provides an important reference for engineering applications.     

轴对称矢量喷管内流特性的模型试验

在喷管落压比1．5～17的情况下，对3组不同几何尺寸的轴对称矢量喷管模型试验件内流特性进行了试验。结果表明：气动矢量角与几何矢量角呈正比关系；当落压比小于设计落压比时，气动矢量角会出现大于几何矢量角的峰值，并随落压比的增加而逐渐趋近几何矢量角，推力系数并不随几何矢量角增加而显著下降，且与非矢量状态相当；矢量状态下，推力系数与面积比呈正比关系，而对喉道面积的变化不敏感。     

二元俯仰矢量喷管排气系统红外特征模拟实验

实验研究了二元俯仰矢量喷管排气系统在几何偏转角0°，10°，20°三种状态下的壁面温度分布与红外辐射特征，并与基准轴对称喷管排气系统进行了对比分析。结果表明:二元俯仰矢量喷管排气系统的红外辐射特征相对基准轴对称喷管排气系统有明显下降，正尾向降幅约10%；随着几何偏转角的增加，隔热屏与收敛段的温度逐渐上升,偏转段压力侧壁面温度略有上升，吸力侧壁面温度略有下降，最大变化幅值30K；排气系统红外辐射强度随偏转角增大而增大，尾向15°~45°和-15°~-60°范围内增幅明显，最大增幅可达70%。      

轴对称推力矢量喷管冷态多柔体动力学仿真

采用实体板壳单元对矢量喷管关键部件进行了柔性化,基于机构的树状参数化处理技巧和MSC.ADAMS软件的宏命令批处理技术构建了矢量喷管的多柔体动力学仿真模型,模型中使用点线约束简化了部分接触约束,极大减小了计算规模.仿真了机构的冷态同步、摇头和摆头等工况,获得了机构各环节的受载和动态特性.研究工作对于矢量喷管的热态仿真及其虚拟设计和虚拟实验具有重要指导意义.      

轴对称矢量喷管内流特性的不同湍流模型计算

利用二阶迎风格式，在采用三种不同湍流模型分别对轴对称矢量喷管三维内流场进行对比计算后，S-A-方程模型成为文中数值模拟中最有效的湍流模型，并将此模型计算的结果与模型试验结果进行了分析比较。研究结果表明，在矢量状态下，计算结果和试验结果相比，气动矢量角的相对误差不大于6％，流量系数的相对误差不大于l％，推力系数的相对误差不大于l％，所开发的计算方法可用于轴对称矢量喷管的工程设计。     

轴对称矢量喷管三维传热计算研究

采用封闭腔理论算法，利用矢量喷管的三维内流场数值计算结果，对轴对称矢量喷管的壁温分布进行了数值计算。计算结果表明，在非矢量状态，喷管同一轴向位置处的周向壁温基本相同，壁温分布可按一维处理。在矢量状态，喷管同一轴向位置处的周向壁温相对差值达15％，壁温分布呈现复杂的形式，必须采用三维计算方法计算壁温分布；喷管扩张段壁温明显高于非矢量状态，所开发的计算方法和程序既可用于轴对称矢量喷管的工程设计，也可为试验验证提供理论依据。     

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟地面状态

采用数值模拟方法对涡扇发动机排气系统球面收敛二元矢量喷管的气动和红外辐射特性进行了研究，研究仅针对地面状态和俯仰偏转.结果表明:俯仰偏转角在小于20°范围内，俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱，气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等；由于气体的容积性热辐射特征，喷管俯仰偏转角的变化引起高温喷流红外辐射的方向性变化明显，喷管俯仰偏转时的热喷流在3~5μm波段红外辐射呈现一定幅度的增加；排气系统在3~5μm波段的红外辐射峰值随俯仰偏转角的增加而趋于减小，其出现位置小于俯仰偏转角；在大的俯仰偏转角下，排气系统在垂直探测平面上方的红外辐射较无矢量偏转情形有所降低，但在探测面下方却有明显的增强，导致另一个峰值的出现.