二元收扩喷管气动方案优化设计

为掌握二元收扩喷管气动特性和设计方法,通过数值模拟方法对采用超椭圆方程进行圆转方过渡的小宽高比二元收扩喷管进行研究。计算分析了喉道宽高比、圆转方段长度、收敛调节片长度及扩张调节片长度4个参数对二元收扩喷管气动性能的影响,通过对上述4个参数的优化得出了综合性能较优的二元收扩喷管气动方案。研究结果表明:经过适当优化,二元收扩喷管能够满足工程应用要求,同时,鉴于其在隐身和矢量推进等方面的优势,有必要对其开展更加深入地研究。     

推力矢量喷管及其控制技术综述

推力矢量控制是第四代战斗机获得过失速机动性的必要条件,推力矢量喷管具有提供巨大的飞机性能收益的潜力。文中介绍轴对称矢量喷管和二元收-扩矢量喷管的结构,较详细地讨论了二元矢量喷管的控制机构、控制工作模态和控制系统。     

二元收扩喷管设计参数对气动性能影响的数值研究

采用正交试验设计方法进行喷管气动性能数值模拟算例的设计,综合研究了二元收扩喷管8个设计参数对气动性能的影响,研究的设计参数包括圆到矩超椭圆型面过渡段几何参数（长径比、横截面积变化率、长半轴变化率、短半轴变化率）和主喷管段几何参数（喉部宽高比、喉部型面半径比、收敛半角、扩张半角）,并且对喉部宽高比、喉部型面半径比、收敛半角、扩张半角等4个参数对喷管气动性能影响的灵敏度进行了分析.结果表明:喉部型面半径比R_W/R₈是二元收扩喷管气动性能影响的最主要参数,因此在喷管设计中应尽量增大R_W/R₈,尤其是在收敛半角α较大时,增大R_W/R₈可使喷管气动性能明显增大;喉部宽高比不是二元收扩喷管气动性能影响的主要参数;二元收扩喷管的气动性能几乎与过渡段型面无关.      

基于代理模型的二元收扩喷管流道型面优化设计

在二元收扩（2D-CD）喷管设计参数对喷管气动性能影响研究的基础上,以获得尽可能高的喷管推力系数为目标,以喉道宽高比、喉道型面半径比、收敛半角和扩张半角为设计变量,对二元收扩喷管的流道型面进行了优化设计。设计过程中,利用正交试验设计方法确定初始样本点,建立喷管推力系数与设计参数间的Kriging代理模型,采用自适应模拟退火算法（ASA）对代理模型进行分析求解。结果表明,二元收扩喷管的优化型面参数为:喉道宽高比为6,喉道型面半径比为0.3,收敛半角为15°,扩张半角为5.64°,此时最大推力系数为0.97847,流量系数为0.98778.      

矢量二元收扩喷管热射流复杂流场特征研究

提出了一种二元收－扩矢量喷管的概念,用热射流实验台对二元矢量喷管进行了过膨胀状态下的喷管模型热态实验。测量了喷管壁面静压和喷管出口总压分布,用红外热成像技术给出了二元喷管热射流场的清晰画面,并对流场特征进行了描述和分析。研究表明,在非设计状态,二元喷管管内有明显的流动分离现象,喷口射流总压严重畸变,在热射流流场中,射流流场呈现双势核结构。     

冷却结构塞式喷管红外特性抑制试验技术研究

利用涡扇发动机喷管红外辐射特征模拟试验台,对二元塞式喷管的红外辐射特征进行试验研究,得到塞锥冷却对二元塞式喷管红外辐射特性的影响规律,并与轴对称收扩喷管(基准喷管)进行了对比。试验结果表明:在探测角0°方向上,相比基准喷管,二元塞式喷管在不采取冷却措施时红外特征降低了12.1%,冷气流量为1.0%总流量时红外辐射强度降低了40.8%,冷气流量为2.8%总流量时红外辐射强度降低了51.2%。     

喷管超音段壁面排气引射冷却方案气动特性研究

在常温条件下,对3种轴对称收扩喷管超音段壁面排气引射冷却方案(缝隙式气膜冷却、离散孔式气膜冷却和冲击—气膜组合式冷却)的气动特性进行了试验研究,得到了不同冷却方案的推力系数、壁面压力分布和抽吸特性以及冷却气流量对这些性能的影响。试验结果表明:与常规轴对称收扩喷管相比,采用排气引射冷却的喷管具有更好的推力特性,3种喷管的抽吸特性都优于轴对称基准喷管。      

冷却抑制二元收扩喷管红外特征的模型实验与数值研究

为研究二元收扩喷管排气系统的红外特征及其采取冷却措施后的红外抑制效果,设计了带有冷却结构的喷管实验模型,测量了3组实验状态下的喷管壁面温度和红外辐射强度分布,分析了喷管腔体内各部件的辐射贡献大小。研究结果表明:二元收扩喷管排气系统的积分辐射强度在0°方向上最大,并且随着角度的增大而减小;扩张板的壁面温度下降21.1%,侧壁的壁面温度下降26.6%,可使积分辐射强度降低11.5%~31.9%;在扩张段冷却的基础上,中心锥的壁面温度下降9%,可使积分辐射强度降低21.7%~38.9%。     

扫描有限元法求解二元喷管的三维可压粘性流场

发展了一种二元喷管流场计算的三维Ｎ－Ｓ方程扫描有限元方法,给出了Ｎ－Ｓ方程中二阶导数项新的离散方法,以及更完善、简洁的扫描有限元方程的表达式。开发了相应的计算程序,用所发展的方法对二维平面收扩喷管、两种大宽高比的二元喷管及其圆变方转接段的三维粘性流场进行了计算,计算结果表明本方法具有较宽广的适用范围,计算结果良好     

尾缘修形的二元喷管内外流场数值研究

针对美国第四代战斗机F-22在二元收-扩喷管设计应用上的特点,利用时间推进的有限体积法对二元喷管尾缘修形前后非矢量状态下的内外流混合流场进行了数值模拟。结果表明:二元喷管出口尾缘修形使得喷管出口下游流场中出现了很强的流向涡,能够促进内外流的强化混合,对缩短高温核心区、加快尾喷流沿流向的温度衰减有明显效果,对抑制尾喷流的红外辐射有一定好处。      

高速热喷流条件下二元收扩喷管扩张段壁面冷却的初步试验研究

在高速热喷流条件下 ,对二元收扩喷管超音段壁面的冷却进行了初步试验研究。采用的冷却方案共有3种 ,分别是缝隙式、离散孔式和波纹板式气膜冷却方案。得到了各冷却方案喷管的壁面压力分布、壁温分布和红外辐射特性。结果表明 :冷却气流对喷管壁面压力分布影响较大 ,不同冷却结构的壁面压力分布特点不同。通过冷却 ,各喷管的壁温和红外辐射强度明显降低。其中缝隙式气膜冷却和波纹板式气膜冷却冷却结构的冷却效果比较好     

矢量喷管静推力特性风洞实验研究

给出了轴对称收扩喷管和实施矢量偏转后的收扩喷管模型在FL-8风洞中的动力模拟静特性实验结果。对于轴对称喷管模型主要进行了喷管的推力特性测量，对于实施矢量偏转后的喷管模型除了结出了喷管推力特性外，还给出了喷管的偏转效率。实验结果表明：在FL-8风洞中进行单喷管的推力得特性测量实验结果可靠，与理论规律相一致。     

二元塞式喷管红外特征及壁面降温的红外抑制效果计算

用数值计算的方法研究了涡扇发动机二元塞式喷管在3~5μm波段的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比.结果表明:无冷却措施时,相比于轴对称收扩喷管,二元塞式喷管在大部分探测角度上红外辐射增强,只在小部分的探测角度范围内具有红外抑制作用,在窄边探测面内探测角为90°方向上,其红外辐射强度降低了54%.若塞锥后部壁面温度降低300K,二元塞式喷管在大部分探测角度范围内的红外辐射强度明显低于轴对称喷管,在正尾向上的红外辐射强度降低了57%;与轴对称喷管中心锥表面降低相同温度相比,二元塞式喷管能取得更高的红外抑制效果,并且所付出的冷却代价较小.      

考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算

基于N-S方程求解了包括引射流、加力燃烧室在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的流场,建立了考虑导热、对流换热和辐射换热作用的轴对称收扩喷管各层壁温分布的计算模型,包括隔热屏、喷管简体、外调节片三层结构.对某航空发动机进行了多工况计算,燃气的物性随压力、温度和油气比的变化采用了一系列精度较高的计算公式和计算方法.计算结果表明:基于密度求解器求解包含引射流在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的跨声速流场是成功的.隔热屏和收扩喷管筒体沿流向温度逐渐升高,喷管筒体壁温在喉部达到最大,在扩张段逐渐降低;收扩喷管外调节片壁温与收扩喷管简体的壁温变化规律相同,但是壁温最大值则位于喉部前某一位置.计算结果与经过试验验证程序的结果符合良好.      

涡轮发动机可调收扩喷管主要性能影响因素

采用数学方法对影响收扩喷管流量系数和推力系数的因素进行了定量分析,将特定结构参数的收扩喷管流量系数转化为喷管喉道直径D8的函数,将推力系数转换为喷管喉道面积A8和喷管面积比Ar的函数,并通过数值模拟对流量系数和推力系数函数的准确性进行了校验。研究结果表明:这2个函数可以较好地反映流量系数和推力系数的变化趋势,通过对其求解可以快速得到收扩喷管在某一状态的性能参数。利用公式得到可调收扩喷管推力系数最大点出现在略欠膨胀的工作状态。     

拉瓦尔喷管实验数据采集系统建设

1介绍 具有收敛-扩张面积变化规律的拉瓦尔喷管（Laval Nozzle）可将亚声速流动加速到超声速,在航空航天推进系统中具有广泛应用．因此拉瓦尔喷管实验是航空宇航推进理论与工程专业本科学生必做的教学实验。通过该实验．学生可以加深理解气体动力学中有关变截面管流的理论知识,掌握收-扩喷管工作原理和工作状态,激发学生学习航空航天推进系统的兴趣．还可了解航空航天气动试验广泛采用的气动测试与数据采集系统。     

两种气动推力矢量技术的数值模拟研究

对两种收扩喷管推力矢量控制技术:激波矢量控制技术和喉部偏移控制技术,进行了流场计算和性能比较。本研究中,喷管进口至喉部几何型面固定,扩张段长度为定值,二次流喷射位置、角度保持不变,采用CFD数值模拟方法计算喷管膨胀比不同时的流场。从计算结果可以看出,喉部偏移控制技术适用于膨胀比小于1.5的收扩喷管,而激波矢量控制技术适用于膨胀比大于1.5的收扩喷管。喉部偏移控制技术的特点在于其可以限制喷管主流流量,影响主、次流流量比的主要因素为二次流与主流的总压比。     

波瓣式主喷管排气引射系统的高速冷态推力特性试验研究

对基准圆柱收敛喷管、五种波瓣主喷管、以及波瓣主喷管与带扩压段的混合管和不带扩压段的混合管所组成的不同排气引射系统进行了推力随喷管前压力(0.15～0.5MPa)变化的特性试验。试验结果表明:波瓣主喷管排气引射系统在高速排气条件下也具有较好的应用前景;但在设计上,必须考虑高速,尤其是超音排气的气动特点所带来的相关问题。      

S弯收扩喷管流动特性数值研究

为了研究S弯收扩喷管的流动机理,数值模拟了不同喷管落压比（NPR）和S形收敛管道出口面积比（A₇₂/A₈）对S弯收扩喷管内流动的影响。结果表明：当S弯收扩喷管处于高度过膨胀状态时,随着NPR升高,非对称分离逐渐转变为对称分离,λ型激波转变为马赫盘结构,气动性能下降,推力矢量角减小;随着NPR继续上升,激波从喷管内移动到喷管出口边缘,并逐渐转变为膨胀波,气动性能上升,推力矢量角减小至0°后保持不变。在完全遮挡高温部件的低可探测准则的约束下,出口面积比A₇₂/A₈的变化主要对S弯收扩喷管收敛段的流动特性产生显著影响,体现在S弯收扩喷管内的局部加速及二次流分布。S弯收扩喷管的气动性能随着A₇₂/A₈增大而提高,但当A₇₂/A₈增大至1.8时,第一弯管道出口上壁面发生流动分离,气动性能显著下降。     

分叉尾喷管气动性能实验研究

某涡轴发动机尾喷管由环形转接段和双管急弯收扩段组成，其形状呈“裤衩”形。在模拟涡轮出口旋流的条件下进行了喷管模型内流气动试验，采用双向总压探针测量喷管内大回流区，发现从３３°截面开始的大分离区对喷管性能有重大影响。在给定流量条件下，通过该流量的喷管进出口压比Ｐ＊５／Ｐ６远比无分离的理论值要高。试验证明导流板是减少喷管气流分离、提高扩压比、降低进口总压的有效措施。Ｐ＊５／Ｐ６可降低１．７％左右。