基于微型涡喷发动机热喷流的无源流体推力矢量喷管的控制规律

流体推力矢量喷管型面固定、活动部件少、结构重量轻，能够为高机动飞行器提供有效的飞行控制手段，但无源流体推力矢量喷管热喷流的偏转控制规律尚未完全掌握。为了推进无源流体推力矢量技术的实用化，本文设计研制了适用于微型涡喷发动机的耐高温喷管模型，对该喷管在微型涡喷发动机热喷流状态下的控制规律进行研究。利用非接触光学显示和测量手段——红外热成像拍摄和粒子图像测速（PIV）技术对主射流流动特性进行研究，获得流动矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律；利用六分量盒式天平测力实验研究无源流体推力矢量喷管的力学特性，获得推力矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律。研究结果表明：该构型喷管在微型涡喷发动机热喷流下主射流连续可控偏转，最大流动矢量角为-12.3°/12.3°，最大推力矢量角为-12.9°/12.8°，控制规律接近线性，不存在主射流偏转突跳问题。     

引射法实现推力转向的技术研究

本文主要通过两种气动方法实现推力转向：第一种是在喷管的扩张段沿周向开缝，通过二次流的引射作用，在扩张段产生斜激波，由于激波的诱导作用实现主喷流的推力转向；第二种是在喷管尾部沿轴向开缝，由于喷管本身的不对称性，利用内外流场的共同作用，产生尾喷流的非对称流动，从而实现推力转向。在激波诱导方法中主要研究了开缝位置、开缝宽度和开缝周向角对推力转向的影响，并在此研究的基础上，提出了利用喷管二次扩张增强喷流的推力转向，并研究了喷管二次扩张角对喷流转向角的影响。给出了数值模拟计算，同时进行了高速风洞试验的验证，结果表明两者规律相同。     

湍流模型在单/双缝引射矢量喷管中的验证分析研究

利用数值模拟方法,分别求解以SA、SSTk-ω、EASMk-ω或k-ζ湍流模型封闭的RANS方程,针对单/双缝引射的激波控制射流推力矢量喷管展开研究,在多个主喷流压比NPR(4.6,7.0,8.78,10.0)和次主流压比SPR(0.7,1.0)下,系统考察了四种不同湍流模型对射流推力矢量喷管内外流场的流场结构,性能参数及主喷管内壁面压力分布的预测能力,探讨了由激波控制产生的推力矢量随不同参数的变化规律。数值计算结果表明,四种湍流模型都能比较准确地预测出射流推力矢量喷管的性能参数和喷管流场结构,双缝引射的推力矢量效率并不一定优于单缝引射。     

高速喷流干扰及控制技术研究

在高速风洞中对单喷模型喷流干扰和二次引射实现推力转向进行了试验研究,试验马赫数为0.6和0.8。结果表明：亚、跨声速喷流对气动特性起到积极作用;引入二次流可以实现喷流偏转,但是会带来一定的推力损失。     

一种矢量增强型双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟

为克服双喉道射流矢量喷管矢量角偏小的缺点,提出了一种矢量增强型双喉道矢量喷管的设计概念:在喷管尾部增加一扩张段,利用流体的附壁效应使主流在扩张段中进一步偏转,从而获取更大的矢量角.首先对设计概念的可行性进行了仿真分析,而后对扩张段的设计规律进行了研究.结果表明,在喷管尾部附加扩张段可显著强化其推力矢量性能,使矢量角达到20°以上,但也导致了一定的推力损失.在研究范围内,扩张段扩张角、扩张段长度、扩张段型线等设计参数对喷管的矢量效率、推力系数以及内部流态均有着显著影响,而在扩张段开缝则可以作为一种抑制尾喷流过膨胀的有效措施.若将内凹型扩张段与开缝方案相结合,仅需消耗2.8%的次流便可获得24.12°的推力矢量角和0.929的推力系数.      

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。     

推力转向喷流与高速主流干扰参数影响规律的数值模拟研究

针对一种简化的飞机模型,数值模拟了推力矢量尾喷流与高速主流的干扰效应,系统总结了来流马赫数、攻角、喷管偏转角、喷流马赫数、喷流总压、喷流总温等参数对飞机气动特性的影响规律,分析了流动机理,结果表明:对于该简化战斗机模型,推力矢量尾喷流对高速主流的干扰局限于尾部局部区域,对全机气动特性的影响较小,仅在较大攻角下才有一定体现;但高速主流对尾喷流的干扰显著,推力矢量角损失随来流马赫数和攻角的增大而增大。     

矢量喷管推力特性的风洞试验技术

该试验技术的研究包括喷流模拟器的研制、地面校准系统的研制、喷管天平数据修正方法研究以及风洞验证试验。研制的喷流模拟器内置喷管推力测量天平,设计了地面推力特性试验校准架,建立了地面试验系统。分析了影响喷管天平测量结果的附加刚度效应、压力效应和流动效应3个主要因素,通过地面校准架建立了相应的测量数据修正方法。针对特定喷管,开展了0°、5°、10°和15°四个偏转角度的喷管,在不同落压比下的推力和矢量角地面验证试验研究。进一步将喷流模拟器和喷管安装在模型上,在中国空气动力研究与发展中心的8m×6m低速风洞开展了落压比为3时的模型纵向气动特性试验研究。研究结果表明:以喷流模拟器为核心的喷管推力特性试验技术能够在地面和风洞试验中有效测量矢量喷管的推力大小、矢量角大小和对飞行器气动特性的影响量。从测量结果来看,落压比为2时,有效推力偏角最大,实际偏角为10°时的有效偏角可以增加3°。喷管偏转10°时,推力对模型的气动力影响最大,其中升力系数可以增加0.066。      

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。     

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。      

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。     

基于被动二次流的射流偏转比例控制

射流偏转比例控制一直是流体式推力矢量(FTV)技术所追求的目标之一。本文研制了一种二元流体式推力矢量喷管,采用能量消耗极小的被动二次流与Conada壁面相结合的方式对低速主射流进行矢量偏转控制,通过改变喷管控制缝入口面积实现了主射流偏转的连续比例控制。对低速主射流两侧控制缝压力和射流偏转角进行测量,获得了主射流偏转角随两侧控制缝压力差系数变化的控制规律曲线。结果表明:低速主射流最大偏转角达到19°,在偏转范围内控制曲线分为敏感区和迟钝区。敏感区的控制曲线近似线性,斜率较大,范围约为±15°;而迟钝区的控制曲线斜率较小,在两侧15°~19°的范围内。该结果证实了主射流两侧的压力差是造成其偏转的直接原因。     

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。     

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.     

激波诱导控制推力矢量喷管实验及数值计算

采用实验方法,通过在二元收敛-扩张喷管扩张段引入二次流喷射,开展了激波诱导控制的流体推力矢量技术研究.实验过程通过喷管上、下壁面压力测量及出口射流纹影观测,研究了主流压力、二次流喷射压力以及二次流喷嘴几何(缝或孔)对推力矢量喷管性能的影响.同时,结合数值计算方法,对各实验工况下的喷管流场进行数值模拟,获得了实验手段难以得到的流场数据和性能,对实验结果进行了辅助分析.初步研究结果表明:在给定的实验条件下,主流压力越高,喷管推力矢量角越小,同时推力系数越大;二次流压力越高,喷管推力矢量角越大,同时推力系数减小;同孔喷射相比,采用喷缝几何下的上壁面激波诱导分离点更趋于向上游移动,分离点后压升显著,射流穿透能力强,对主流的扰动强烈.      

逆流矢量喷管流动自身导致的非定常现象

基于数值方法,研究了逆流推力矢量喷管中由于流动自身导致的非定常现象。结果表明,当抽吸背压下降至某个范围时(50.66~60.8 kPa),主流在接近外套壁面的某个位置处呈现出周期性振荡,流动参数(抽吸二次流量、推力矢量角、合成推力系数)也以小振幅振荡,但是同向二次流量却没有振荡。深入的流动机理分析表明,此时在逆流剪切层中,分离涡周期性地形成和发展,没有呈现出流动失稳,同时剪切层中的速度比又远大于定常流动下的值,因此流动表现为自激振荡特征。     

平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管数值研究

将异型出口设计与气动推力矢量喷管结合,提出了平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管(bypass dual throat nozzle,BDTN),并与基准矩形截面的BDTN进行流场结构及气动性能的对比研究。三维数值计算表明:平行四边形构型与矩形构型具有相同的气动性能变化规律;相较于基准矩形BDTN构型,由于壁面倾斜导致流场结构变化,平行四边形构型在矢量状态下的俯仰矢量角及推力系数有所降低,但对非矢量状态下的推力系数和流量系数影响不大;壁面倾角是性能变化的重要因素,相同落压比时壁面倾角越小,矢量角越小,壁面倾角不小于60°时喷管的稳定矢量角均可达10°以上,最大矢量角均可达15°以上;平行四边形出口增强了尾喷流与环境气流的掺混,出口射流中心线速度衰减大大加快,有利于提高红外隐身特性。     

鸭式飞机矢量喷流对大迎角气动特性的影响

针对单发鸭式布局飞机，通过低速风洞试验，研究了矢量喷流对飞机大迎角气动力的影响特性。研究结果表明：发动机喷口直径变大使得飞机大迎角升力和阻力系数增加，并产生低头力矩系数。喷流使得飞机大迎角升力和阻力系数明显增加，并产生低头力矩系数；大喷口状态喷流影响比小喷口状态高50%左右。发动机喷管上/下偏转时，矢量喷流对飞机上下表面气流诱导不对称，喷管上偏减小升力和阻力系数、产生抬头力矩系数，喷管下偏增加升力和阻力系数、产生低头力矩系数，且喷管下偏影响明显比上偏大。在此基础上，基于数值模拟结果对喷流与飞机主流的相互作用机理进行了分析。     

舵面矢量喷流对现代战斗机气动特性的影响

在双三角翼、椭圆机身的先进战斗机气动布局中配置舵面矢量推力装置,系统研究了该舵面矢量推力装置引起的纵向矢量喷流和横向矢量喷流对机翼绕流及其气动特性的影响,同时还研究了舵面矢量喷流的落压比NPR、舵面的纵向和横向偏角D_p、D_y以及纵向舵面的宽度W_ｐ和舵面的配置等因素对喷流干扰效应的影响。