激波矢量控制喷管落压比影响矢量性能及分离区控制数值模拟

激波矢量控制喷管矢量角随落压比(NPR)的增大而下降的现象已被许多研究所证实.对NPR影响矢量角机理及基于多缝腔体和多缝辅助注气方法的分离区控制研究,目标是寻求大NPR条件下矢量性能提高的方法.研究表明:NPR影响矢量角的机理主要由于次流下游近壁面分离区由小NPR时的开放型变为大NPR时的封闭型,从而导致由于壁面压差力产生的矢量力减小所致.多缝辅助注气方法可以有效控制分离区在大NPR时保持开放,注气压力为环境压力时可以在不从系统额外引气的条件下提高矢量性能.      

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.      

单缝和双缝射流注入对二元喷管推力矢量的影响

利用RNGk-ε湍流模型,求解二维N-S方程对开缝注入射流后的二元收敛-扩散喷管全流场进行了数值模拟,比较了单缝和双缝射流对喷管推力矢量的影响。研究表明:在固定射流总流量的前提下,较好的双缝射流方案在小落压比状态下得到的矢量效率要优于单缝射流方案;而在大落压比下单缝和双缝射流方案得到的矢量效率和推力系数基本相同;前后射流流量的分配对喷管矢量性能有着适度的影响,当将较多的流量分配在扩散段后缝处时,喷管可以获得更多的推力矢量。     

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°。     

激波诱导矢量喷管流场的数值模拟及试验

为研究固体火箭发动机激波诱导矢量控制效率的影响因素,及验证数值模拟方法的准确性,对激波诱导轴对称推力矢量喷管模型进行了壁面测压试验,采用二阶精度Roe格式和k-ωSST两方程湍流模型求解强守恒型Navier-Stokes方程对矢量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟。根据试验和数值模拟结果分析了喷管内主流和次流相互作用产生的复杂流场结构,比较了在不同喷管落压比NPR和次主流压力比SPR下喷管壁面静压的分布情况。结果表明,数值计算和试验结果基本吻合,验证了计算方法的准确性;在一定范围内减小喷管落压比,增大次主流压力比可以增大喷管周向壁面静压差,提高喷管的推力矢量偏角。     

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。     

外流马赫数对逆流推力矢量喷管性能的影响

为了研究外流马赫数变化对逆流推力矢量喷管内部流场结构和性能特点的影响,参考实验,数值模拟了不同马赫数下的流场结构、喷管矢量角和逆向二次流质量流量系数。结果表明:外流马赫数从0增加到0.8的过程中,喷管内流场结构会随着外流马赫数的增大而不断变化从而改变主流两侧压力差,进而导致矢量角逐渐减小,与此同时二次流质量流量系数快速增大;外流马赫数从0.8增大到1.5的过程中,流场结构和矢量角随马赫数变化没有明显变化,二次流质量流量系数缓慢增大。     

轴对称射流矢量喷管的试验和数值模拟

对基于激波来实现推力矢量的轴对称射流矢量喷管的缩比模型进行了测力和测压试验，用推广到可计算可压缩流的SIMPLE方法其内外流场进行了数值模拟，根据试验和数值模拟结果分析了喷管主流与次流相互作用产生的复杂流场结构、二次流流量和落压比对气动矢量角的影响，在落压比3～6范围内，二次流流量和喷管主流比值增大，气动矢量角增大，两者比值相同时，落压比增大，气动矢量角减小。     

喷管气动参数对推力矢量影响的数值模拟

以二元收扩喷管为对象,开展了基于二次流喷射的流体推力矢量技术研究。基于CFD技术,分析了激波矢量控制技术实现推力矢量的机理。重点分析了喷管落压比NPR,二次流总压比SPR,自由流马赫数Ma∞对流体推力矢量性能的影响。数值模拟结果表明:推力矢量的大小与斜激波的位置、角度以及流动分离区的大小有关。在所计算的参数范围内,推力矢量随喷管主次流的变化规律是:推力矢量角随NPR的增大逐渐减小;随SPR的增加,推力矢量角单调增加;在大落压比时,自由流马赫数对推力矢量的影响是有限的,而在低落压比时,自由流马赫数增加,推力矢量角减小。     

轴对称射流矢量喷管非矢量状态下推力特性研究

通过数值模拟,研究了非矢量状态下（射流流流量为零）轴对称射流矢量喷管在低落压比时（NPR≤3.5）,射流缝内形成的空腔流动对喷管推力特性的影响;利用这种影响来控制低落压比时喷管的气流分离位置,提高了喷管处于低落压比时的喷管推力系数;推力系数可以提高到0.90以上。因此合理布置双连通射流缝的位置,不仅有利于提高射流的推力矢量效率,而且有利于提高低落压比无次流时的推力系数,从而弥补射流矢量喷管几何固定带来的不足。     

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.      

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。     

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。     

无源腔结构对大膨胀比单膨胀斜面喷管的影响

开展了基于无源腔的单膨胀斜面喷管(SERN)流动控制方法研究,采用标准k-ε两方程湍流模型,通过求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,数值研究了过膨胀状态下无源腔结构对SERN内部流场和性能的影响.计算结果表明:与原型SERN相比,落压比为8时,无源腔结构的存在促进SERN上膨胀斜面流动的分离,改变SERN内部流场结构,影响SERN上膨胀斜面压力分布,从而使SERN的轴向推力系数提高1.75%,同时不会带来低头力矩的恶化.在落压比为3~13范围内,无源腔结构的存在促进了无源腔附近附面层流动分离,减少了SERN内激波串数目,并使SERN上膨胀斜面压力峰值增加,提高SERN轴向推力系数.      

激波诱导圆形矢量喷管数值研究

利用时间推进的有限体积法求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程,对激波诱导矢量控制方案的圆形收敛-扩张喷管全流场进行了数值模拟.从射流压强比及落压比的变化计算了次流对主流的控制效果.结果表明,利用激波诱导方式可有效的迫使主流偏转,在落压比为4、射流压强比为1.499时,矢量偏转角最大可以达到15.35°.通过分析,圆形喷管中形成的激波为三维曲面激波,结构比较复杂,数值研究可观察到清晰的流场结构,为试验研究提供参考.      

扩张段注气对扩张型双喉道喷管起动的影响研究

扩张型双喉道喷管存在起动问题,使喷管推力性能显著下降。为此,提出了扩张段注气解决喷管起动问题的方案,并利用数值模拟方法,针对二元扩张型双喉道喷管,研究了扩张段注气压比、注气位置等对喷管流动和性能的影响。研究结果表明：扩张段注气可以产生斜激波系和大的分离区,改变了扩张型双喉道喷管主气流通道的形状,减小了激波损失,解决了喷...     

Improvement of the SERN nozzle performance by aerodynamic flap design

As continuation of the former study [P. Gruhn et al., Aerospace Science and Technology 4 (2000) 555–565], we examine the flow at a SERN nozzle for a future hypersonic cruise vehicle with help of a nozzle/afterbody wind tunnel model. Main focus is on the flow at the nozzle flap and the separation of the boundary layer at the flap cowl. The location of this separation is determined for different nozzle pressure ratios and different Reynolds numbers. An empirical criterion to predict the separation point at the flap cowl of the nozzle/afterbody model is established.Based on the experiments and recent studies, a geometry for the nozzle flap of the reference configuration ELAC of the Collaborative Research Center 253 of the Aachen University of Technology is suggested. Numerical studies result in an improved axial thrust going along with an improved thrust vector angle for this new flap in the whole examined Mach range between 1.23 and 7. The improvements of up to 11 percent in axial thrust coefficient and up to 15° in thrust vector angle at low Mach numbers exceed the progresses made for the nozzle of the nozzle/afterbody model in the former study.