带第三流路辅助进气的引射喷管流动特性研究

为避免低落压比条件下引射喷管内气流过膨胀,本文研究了第三流路辅助进气门开启状态下引射喷管的内流特性,分析了飞行马赫数为0,主喷管落压比为2.1,次流流动状态分别为回流和顺流对引射喷管流动特性的影响规律,并获得了不同辅助进气门开度下次流通道的最小顺流压比。结果表明：当次流为回流状态时,逐渐增加辅助进气门开度,主流过膨胀程度逐渐降低,第三流路流量的增加使剪切层内动量传递效率提高,引射喷管的推力系数从0.60提升至0.73;当次流为顺流状态时,随着辅助进气门开度的增加,次流流量减少,主流过膨胀程度逐渐增大,第三流路流量的增加使剪切层内动量传递效率降低,推力系数则从0.97下降至0.75。次流为顺流状态时引射喷管的推力系数整体高于次流为回流状态,因此当次流处于顺流状态时引射喷管取得更优的推力性能。但在低马赫数状态下,次流流动极有可能出现倒流,此时适当增加辅助进气门的开度有益于改善推力性能。随着辅助进气门开度逐渐增大,次流的最小顺流压比呈逐渐上升趋势。     

辅助活门对串联TBCC排气系统的影响研究

在低落压比状态下,对有无辅助活门的两种串联式TBCC组合喷管开展了数值模拟计算,并对包含辅助活门的串联式组合喷管进行了实验研究,通过分析其壁面沿程压力分布与波系结构的变化情况,探究辅助活门对串联式组合喷管气动性能的影响。结果表明：辅助活门结构减少主流喷管外壁面的流动分离区范围,有效的提高了组合喷管内推力。带辅助活门型组合喷管能够引射环境气流,减少引射喷管壁面的回流区范围与底部阻力,从而减少推力损失,提升组合喷管整体性能。提高次流压比或降低主流压比,主流喷管出口处欠膨胀程度降低,声速线往下游方向移动,主流流量减少。提高主流压比或者次流压比都能使辅助活门引射环境气流量增加。辅助活门进气通道距离会改变次流射流与引射喷管的相对位置,距离过小或过大都会造成引射环境流体流量减小。     

一次火箭参数对RBCC引射模态性能的影响

应用经过校验的三维湍流有限体积数值算法，对引射模态下RBCC模型不同一次引射火箭结构和工作参数条件下的多种工作状态进行了模拟。结果发现：提高一次火箭燃烧室工作压强，二次流量增加，系统推力增加，混合效果增强；一次火箭喷管形状直接影响引射掺混效果，但在保证足够一次流量的前提下，方形管道中可以使用锥形一次喷管，不会带来性能上的较大差异；一次火箭喷管数目增加，掺混质量提高；一次喷管扩张半角的改变不会影响二次引入流量，但会影响掺混效果和一次火箭自身推力；一次喷管面积膨胀比的变化，不会影响二次引入流量．但会改变混合效果。     

波瓣喷管引射-混合器涡结构的数值研究

通过波瓣喷管引射-混合器的流场三维数值计算,得到了流向涡和正交涡产生、衰减的演变以及对混合效率的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射能力和混合效率的内在机理.结果表明:喷管出口流向涡的尺度基本与波瓣的高度相当,流向涡可以诱发主流和次流之间强烈的对流混合,在喷管下游一倍混合管直径的混合距离内强化混合作用显著,随着流向涡向下游发展,涡强衰减迅速;正交涡具有与波瓣尾缘一样的几何外形,在混合管下游,由于主流和次流之间的速度梯度下降,正交涡的强度显著降低,对强化混合的影响不大.     

固定几何气动矢量喷管气动性能数值仿真

为掌握固定几何气动矢量喷管气动性能,通过CFD数值模拟的方法,研究了主流落压比、扩张段二次流落压比、扩张段二次流角度和引射对固定几何气动矢量喷管轴向推力系数的影响;主流落压比、扩张段二次流落压比和扩张段二次流角度对矢量角的影响;主流落压比、喉道二次流落压比和喉道二次流角度对喉道控制率的影响。结果表明:随主流落压比增大轴向推力系数增大,矢量角减小,喉道控制率减小;随扩张段二次流落压比增大推力系数减小,矢量角增大;随喉道二次流落压比增大,喉道控制率增大;随扩张段二次流角增大轴向推力系数减小,矢量角略有减小;随喉道二次流角增大喉道控制率增大;随引射方式增加喷管推力系数增大。     

V型尾缘喷管流场特性数值模拟

模拟计算了一系列V型尾缘(Chevron)收敛喷管的详细涡结构(包括流向涡和展向涡)、引射系数、推力损失等性能,并与相关实验结果进行了对比验证。采用有限体积QUC IK格式和标准k-ε湍流模型,结合壁面函数求解雷诺平均的N-S方程。通过模拟计算与实验结果的对比,验证了计算方法的可行性。通过计算得出:V型尾缘喷管齿弯角越大,核心区长度越短,喷管出口下游的流向涡和展向涡的强度和尺度也越大。V型尾缘的齿弯角每增加1°,对应的喷管的堵塞比约增加0.98%,喷管的推力损失约增加1.71%,引射系数约增加3.45%。     

激波诱导矢量喷管动态数值模拟

对一二元收扩激波诱导矢量喷管进行了二维动态数值模拟,研究了不同落压比、不同次流加速时间下,喷管气动特性和流场结构随次流增加的变化规律。结果表明:喷管在过膨胀状态下,次流流量达到一定值时,其推力会有较强的振荡;在完全膨胀和欠膨胀状态下,振荡较小。其原因是,次流增加过程中,喷管出口附近有复杂波系存在和回流产生,而回流对提高推力和增加矢量角有益。     

几何构型对逆流推力矢量喷管特性影响

采用数值模拟方法研究了几何构型对逆流推力矢量喷管内部流动结构及性能的影响.研究结果表明:主流未附体时,增大缝宽可提高推力矢量角,但同时却降低了合成推力系数,抽吸二次流流向由同向转变为逆向且流量逐渐增大;增大斜切角可致使推力矢量角减小,合成推力系数先增大后减小.随着斜切角的增大,抽吸二次流流向由逆向逐渐转变为同向二次流,流量比在2%以内,且呈先减小后增大趋势.     

接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响

通过对波瓣混合器的数值计算,研究了接触面积和流向涡对波瓣混合器引射比的影响.计算结果表明:主次流的接触面积越大,波瓣混合器的引射性能就越好,引射比随波瓣周长比的增加而线性递增.同时,流向涡的强度越大,波瓣混合器的引射比也越大,引射比随量纲一流向涡强度的增加而先快后慢增加,两者之间是指数的关系.当波瓣张角未导致气流分离时,主喷管出口的流向涡角动能随波瓣张角的增加而先慢后快增加,两者之间是抛物线的关系.而且,波瓣张角的增大不仅可以增加流向涡的涡量,还可以扩大流向涡的分布区域.      

构型及二次燃烧对RBCC引射模态推力性能的影响

提出了掺混度模型并数值研究了五种构型和两种燃烧组织模式对RBCC发动机引射模态推力性能的影响,其中改进构型获得了推力增强.得出如下结论:(1)在引射掺混的前段,掺混过程主要由一次流喷管结构决定.而在引射掺混后段,后体构型对掺混过程影响较大.(2)获得较高掺混速率、较优引射比并在掺混过程中产生高于环境压强的流动状态是改进构型获得推力增强的两个重要因素.(3)与SMC燃烧组织模式相比,改进构型的SPI模式有效延迟了二次燃烧,不仅提高了燃烧效率而且没有使引射比过度下降.     

基于次流喷射控制推力矢量喷管的实验及数值研究

应用实验和数值模拟的方法,对一种新型的推力矢量喷管—基于次流喷射控制的二维推力矢量喷管的推力矢量性能和流场进行了研究。实验是在西北工业大学小型超高速吹气式风洞中进行,测量了在不同的二次喷流情况下,推力矢量和流场的变化规律;采用时间推进求解N-S方程的方法数值模拟了二维推力矢量喷管内流场和性能。研究结果表明,应用次流喷射控制主流流动可以实现较大的推力矢量转折,但是,二次喷流必须具有足够的压力值;如何从推力矢量工作方式恢复到轴向流动工作方式则是需要进一步研究的问题。      

一种基于引射效应的流体推力矢量新技术

流体推力矢量是一种利用流动控制技术实现推力转向的方法,针对现有二次流动控制推力矢量方案的不足,提出了采用引射方式的新型流体推力矢量技术,该技术在喷管套管内利用引射作用产生低压区使主流方向偏转,实现推力转向。并且可以通过限制流量的方法调节主喷流对单侧套管的抽吸程度,使得在喷管套管内产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的。运用这一概念设计了矩形矢量喷管,采用数值模拟方法验证了喷管的推力转向效果,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析。计算结果表明:该矢量喷管的最大推力转向角度达到24°,对应喷流附壁状态,在喷流附壁之前可以矢量控制的推力转向角为0°~13°,推力损失在1.5%~7.0%之间变化。最后根据该计算外形以1∶10比例加工了矢量喷管,运用高压气源进行了尾喷流偏转试验。试验表明该矢量喷管在设计状态能够实现射流矢量偏转,从原理上验证了该推力矢量方案的可行性。     

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。     

激波控制矢量喷管流动与工作特性研究

利用数值模拟方法,研究了激波控制矢量喷管的流场结构与工作特性,分析了射流流量、外流马赫数及落压比对喷管流动和性能的影响。结果表明:随着射流流量的增大,射流对主流产生的阻碍作用增大,使得注气缝上游的高压分离区增大,上、下壁面压差增大,矢量角增大;但射流流量过大时,激波会影响下壁面的压力分布,使喷管推力矢量性能降低。外流马赫数增加使喷管出口附近及上壁面注气缝下游壁面的压力降低,因此上、下壁面的压差减小,喷管的推力矢量性能降低。随着落压比的增大,注气缝上游的分离激波位置后移,注气缝下游分离区内的相对压力降低,使上、下壁面的压差减小;另外,喷管工作状态从过膨胀状态向欠膨胀状态转变时,压差产生的推力增大,喷管的推力矢量性能降低。     

波瓣喷管-狭长出口弯曲混合管引射混合特性分析

针对波瓣喷管和具有狭长出口的弯曲混合管所构成的引射-混合系统,进行了引射和混合特性的实验和数值研究,获得了主流和引射气流相互混合过程中的速度场、压力场和温度场的相关信息,以及表征引射-混合系统总体性能的引射系数和总压恢复系数等结果,对比表明数值计算和实验数据的相对误差在15%以内。由于弯曲混合管的出口狭长,弯曲混合管的混合流动受到流向旋涡和弯管二次流的共同影响,形成了有别于常规椭圆形出口截面混合管的一些独特的流动现象和特征。      

次流喷射控制推力矢量喷管的流场数值模拟

为了探讨次流喷射控制二维推力矢量喷管的性能,用时间推进求解Ｎ－Ｓ方程的方法数值模拟了喷管的流场,数值格式用中心有限体积格式,借助于当地时间步长和隐式残差光顺技术加速收敛,得到了在不同二次喷流压力下推力矢量喷管内流场的变化特征。计算结果与实验结果比较有满意的一致性。研究表明,应用次流喷射控制主流流动可以实现较大的推力矢量转折,但是,二次喷流必须具有足够的压力值。     

底部二次流对塞式喷管影响的实验研究

基于单元塞式喷管的实验数据,研究了底部二次流对塞式喷管性能和底部特性的影响,测得了不同环境反压下塞锥表面的压强分布.实验表明,底部在不同压比下具有不同的气动状态.二次流的注入使底部开闭过渡点的压比值升高,底部开始提供推力的压比值下降,有利于避免底部开闭过渡时推力出现较大幅度降低.二次流流量达到主流的2.0%后,再加大底部二次流流量不再影响底部压强,过多地注入反而会降低塞式喷管的总体效率,1.5%～2.0%主流流量的二次流注入是比较好的选择.在低压比范围,塞锥表面有压强峰出现,随着高度的增加,压强峰后移并强度减弱.     

二次流喷口形状对激波矢量控制喷管推力矢量特性影响

基于CFD数值模拟技术,考虑变比热比及温度对黏度的影响,针对二次流喷口主要几何参数（二次喷射角度及喷口无量纲展向长度）在不同喷管落压比、二次流压比工况下对激波矢量控制喷管三维流动特性及推力矢量特性进行分析.研究表明:喷射角度增加,二次流喷射前主分离线前移,激波角度增加,在较小的二次流压比下随着喷射角度增加,推力矢量角增大,二次流压比为1.0和1.2时,存在最佳的喷射角度使得推力矢量角最大;喷口无量纲展向长度小于1.0时,喷口前分离涡演变为马蹄涡,并在喷口下游诱导尾涡,二次流压比大于0.6时随喷口无量纲展向长度增大,推力矢量角度增加.      

塞式喷管底部特性研究

基于实验数据和数值模拟结果,研究了外界反压和底部二次流对塞式喷管底部的影响。实验表明,底部压强分布相对较均匀,底部在不同外界反压下具有不同的气动状态。如果主流在底部受压缩,底部有气动开放的趋势;如果主流在底部受膨胀,底部有气动闭合的趋势;如果底部同时存在压缩和膨胀,其状态与受到压缩和膨胀的相对强弱有关。二次流的注入使底部开闭过渡点的压比值升高,底部闭合后的压强值增大,有利于防止底部开闭过渡时推力出现较大幅度降低。二次流流量达到主流的2.0％后,加大底部二次流流量不再影响底部压强,过多地注入反而会降低塞式喷管的总体效率,1.5％~2.0％主流流量的二次流注入是比较好的选择。     

基于二次流喷射的并联式TBCC排气系统性能提升技术研究

基于CFD数值模拟方法,分析了并联式涡轮基组合循环发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)排气系统的内外流场特性,提出了在涡轮喷管下壁面处喷入高压二次流以提升排气系统性能的方式,研究了不同飞行状态下二次流喷射对排气系统性能(推力系数、推力矢量角)的影响规律。计算结果表明:二次流喷射会产生弓形激波,与喷管上膨胀壁面附面层作用产生新的分离区,提升涡轮喷管和冲压喷管内的整体压力,从而改善并联式TBCC排气系统的推力及推力矢量性能,且对亚声速和跨声速飞行状态下的并联式TBCC排气系统性能改善比较明显,可使轴向推力系数最大提升7.34%,推力矢量角提升12.76°。