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.      

膨胀边开槽对单边膨胀喷管性能影响的数值研究

为了得到高气动性能和低红外辐射的单边膨胀喷管(SERN)结构,通过CFD/IR数值模拟的方法,研究了单膨胀边开槽率、开槽角度和落压比(NPR)对单边膨胀喷管气动性能和红外辐射特性的影响。研究结果表明:在低落压比下,单膨胀边开槽形成的气动边界改善喷管气动性能;在高落压比下,扩张段内的热排气倒灌入上游的狭槽内,反而降低了喷管气动性能;随开槽角度增加喷管轴向推力系数减小;单膨胀边开槽后喷管红外辐射强度大幅度降低,最高降幅在XOY平面0°方向达90%;随开槽率增加红外辐射强度减小,而开槽角度对喷管红外辐射强度几乎没影响。     

单边膨胀喷管红外辐射特性的数值模拟

 通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR) 数值模拟的方法,研究了单边膨胀喷管(SERN)膨胀边开缝、膨胀边倾斜角度和喷管收敛通道面积比这3个结构参数对单边膨胀喷管气动性能和红外辐射特性的影响规律。模拟结果表明：单膨胀边上开缝后,红外辐射强度有较为显著的下降,气动性能也得到改善;其中, xOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降26.4%, yOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降25.2%,单膨胀边壁面平均温度从643 K下降到335 K左右;单膨胀边倾斜角度增大,使得喷管推力矢量角增大,轴向推力系数减小,对高温内壁面和喷管尾焰的遮挡效果减弱;收敛通道面积比的增大使喷管红外辐射强度降低的同时,也使喷管的推力相应减小。     

双喉道气动矢量喷管气动及红外特性研究

对具有圆转方过渡段的双喉道射流矢量喷管进行了设计建模和气动、红外辐射特性数值模拟计算。分析了其喷管射流注入角对喷管气动性能、矢量性能和红外辐射强度的影响。研究结果表明:射流注入角度为100度左右时,推力系数最大;次流降低了双喉道二元射流矢量喷管的全向红外辐射强度,推力矢量方位的辐射强度普遍更小;130°射流角时,双喉道射流矢量喷管红外辐射强度较小。     

三轴承旋转喷管矢量偏转规律及流场特性研究

基于短距/垂直起降战斗机用三轴承旋转喷管的特殊设计要求,通过几何约束条件开展了三轴承旋转喷管型面设计方法及运动规律推导与研究,研究了非线性和线性两种喷管矢量角控制规律下的三段筒体随时间的旋转规律。根据小型涡轮喷气发动机的几何尺寸,利用发展的型面设计方法和喷管筒体旋转规律,设计了小尺寸三轴承旋转喷管,并利用CFD数值模拟技术对该喷管的流场特性进行了计算与分析。通过CFD数值模拟技术得到了不同矢量角下喷管的三维流动特性及不同落压比下的气动特性。结果表明:采用喷管矢量角非线性控制规律可以减少非线性控制变量,保证喷管机动性的前提下减小了喷管的设计难度和控制复杂度;基于小型涡轮喷气发动机设计的三轴承旋转喷管0°的推力系数较理想喷管低,90°的推力系数较理想喷管高,喷管在地面最大落压比下0°比90°推力系数高约1%。     

双喉道推力矢量喷管的内流特性研究

为了研究双喉道推力矢量喷管(DTN)在非推力矢量和推力矢量情况下的内流特性,基于数值模拟的方法,计算分析了不同几何参数和气动参数对DTN的影响。结果表明,DTN在非推力矢量时,仅在落压比(ZNPR)为3～4之间才具有较高的内流性能(推力系数达0.97,流量系数为0.94),当落压比增加时,推力系数迅速下降。在推力矢量时,DTN可以获得很大的推力矢量效率(当落压比为4,引射量为3%时达到4),且推力系数也较高(0.94以上),其综合性能优于单喉道偏移和激波操纵式矢量喷管。二次流量、落压比、凹腔扩张角和收敛角、引射角度都对推力矢量状态下的DTN内流性能有着不同的影响。为了实现DTN在推力矢量和非推力矢量下都有较好的内流综合性能,所建议的设计参数为:落压比为3～4,引射量为3%,凹腔扩张角为10°左右,收敛角在20°～30°,引射角度为30°逆流引射角(β=30°)。     

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。     

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。     

旁路式双喉道喷管气动矢量特性数值研究

旁路式双喉道喷管(BDTN)通过设置旁路通道即可实现稳定的推力矢量,无需增加额外的高压气源和次流系统,研究其推力矢量特性对于提高飞行器的机动性和敏捷性具有重要意义。采用数值方法对BDTN在不同落压比下的内外流场及其在高温高压环境下的内流特性进行数值仿真。结果表明:BDTN的流场结构与普通双喉道喷管(DTN)相仿,但矢量效果更好,可在推力系数为0.966的同时获得24.6°的推力矢量角;落压比(NPR)大于4时,随着入口总压的增加,喷管推力矢量角和推力系数均逐渐减小;在入口总温为3 000K、落压比为100时,喷管的推力矢量角减小至12.75°,推力系数减小至0.882,即高温高压的内流环境对喷管矢量性能具有很大的消极影响。     

单边膨胀喷管几何参数对性能的影响研究

在实验数据验证的基础上,通过三维数值计算的方法,研究了单边膨胀喷管几何参数对其内特性的影响,给出了各模型在不同落压比下的性能参数。计算结果表明:下腹板角度越大,流量系数越小,下腹板向上倾斜模型的流量系数比向下倾斜的模型低了约2%;在低落压比下,上膨胀面长度越短,轴向推力系数越低,其中上膨胀面最短的模型轴向推力系数约为85%;喉道宽高比越大,流量系数越大,喉道宽高比不同,轴向推力系数差别也较大;尾缘有切角,会使喷管后气体更充分地膨胀,下腹板有切角的模型,其推力矢量角较小,其中,下腹板切角较小的模型最大推力矢量角约为12°。     

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟高空状态

针对高空状态下球面收敛二元矢量喷管排气系统,通过数值模拟研究了喷管俯仰偏转角对排气系统气动和红外辐射特性的影响,并与地面状态进行了对比分析.在该研究参数范围内,研究结果表明:在俯仰偏转角为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,高空状态下,喷管的推力系数和总压恢复系数下降0.5%与1.1%；热喷流峰值红外辐射强度仅为地面状态的12%~24%,排气系统的总体红外辐射强度峰值与地面状态下的比值峰值在0.35~0.45之间；随着下俯仰偏转角的增加,排气系统红外辐射峰值呈现下降的趋势.      

过膨胀单边膨胀喷管试验和数值模拟

在低落压比4~10下,对高速二维单边膨胀喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验研究,模拟气体为高压空气;用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息。试验和数值模拟结果表明,处于深度过膨胀状态下的单边膨胀喷管内部出现了自由激波、分离激波、两种激波相交及相互影响、自由激波分离和激波诱导分离等复杂现象;上膨胀面大面积的气流分离而形成的低压区使喷管轴向推力系数Cfa仅为0.78~0.87;此外,推力矢量角pδ为18°~25°,这对飞行器的配平和控制面操作带来一定的困难。     

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.      

加遮挡板后二元喷管的红外辐射特性数值模拟

在宽高比为6.33的圆转矩形二元喷管喷口处安装不同结构的下遮挡板。通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合数值模拟的方法,获得加遮挡结构后二元喷管的红外辐射场分布特征,并对不同遮挡结构的红外辐射抑制效果进行比较。结果表明:遮挡板结构改变了二元喷管原有的对称结构的辐射场分布。它对喷管的尾焰以及内外壁面产生的红外辐射在-90°~0°方向上有着较好的抑制作用。尾焰红外辐射强度最多降低51%,喷管内壁面红外辐射被完全遮挡。而双层遮挡结构可以削弱二元喷管-90°~0°方向43%的总体红外辐射,与此同时却增强了0°~90°方向40%的红外辐射。     

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.     

基于Kriging代理模型的单边膨胀喷管尾缘切角优化

在设计点落压比25和非设计点落压比15条件下,对单边膨胀喷管（SERN）不同尾缘切角模型进行了三维数值模拟,并采用Kriging代理模型以SERN轴向推力系数为目标,对尾缘切角进行多目标优化。研究结果表明:尾缘切角会影响SERN后气体的膨胀,增强流动的三维效应,恰当的尾缘切角会使SERN后气体更充分膨胀,有利于提高SERN的轴向推力系数,改善SERN的性能;通过优化,SERN的轴向推力系数由0.94达到了0.975以上,比优化之前提高了约5%,基于Kriging代理模型的SERN优化方法是有效的。