基于混合维度仿真的自适应循环发动机引射喷管安装性能研究

自适应循环发动机（Adaptive Cycle Engine,简称ACE）独特的三外涵道结构使引射喷管成为一种可行的排气系统方案。为准确评估各种工况下引射喷管与ACE匹配工作下的安装性能,提出了一种基于变可信度代理模型的ACE-引射喷管混合维度仿真方法。该方法搭配引射喷管高、低两种可信度的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）仿真模型,建立了引射喷管变可信度代理模型。通过动态更新该代理模型,在引射喷管性能空间的匹配工作区域集中进行高可信度CFD仿真,高效准确地实现了引射喷管匹配状态下的安装性能评估。仿真结果发现,ACE引射喷管在亚声速巡航和超声速巡航状态下的安装推力系数分别为0.979和0.961,在跨声速区段采用中间状态加速时后体阻力系数达到最大,为0.25。亚声速巡航状态下主喷管流量系数最低,为0.896。应用本方法仅需180次低可信度CFD仿真以及173次高可信度CFD仿真即可完成共计33个ACE工作点的引射喷管安装性能计算。     

引射喷管流量及推力特性数值研究

设计了多个引射喷管方案对引射喷管的流量和推力特性进行了研究。采用数值模拟手段对这些方案进行了多状态的性能计算,详细总结各方案在不同状态下的性能特点及规律,并从理论角度对引起其变化规律的原因进行了详细分析。研究结果表明外管道出口几何尺寸对引射喷管性能影响规律是随主喷管落压比的不同而不同的。     

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。     

涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性数值研究

红外隐身技术对提高未来战机战场生存力具有重要意义,发动机排气系统是飞机后半球的主要红外辐射源。为了研究涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性,结合引射喷管的CFD计算,采用离散传递法计算红外辐射强度,研究了普通引射喷管以及带5°下倾角的引射喷管后半球3～5μm以及8～14μm波段的红外辐射强度空间分布规律,并与相似尺寸的涡扇/涡喷发动机收缩喷管进行比较。结果表明：在探测角度较大时,涡扇发动机引射喷管的红外辐射强度较收缩喷管小20%左右;引射喷管结构上的非对称性导致红外辐射强度角向分布也呈现非对称性特征;8～14μm波段与3～5μm波段的红外辐射空间分布规律基本相同,但辐射能量小40%左右。     

波瓣喷管引射系统的初步实验研究

对具有相同出口面积的波瓣喷管和圆喷管两种引射系统,在低压比条件下进行了引射能力和混合效率的对比研究,同时对波瓣喷管引射系统的三维流场进行了测试。结果表明：与圆喷管相比,波瓣喷管可使引射系统的引射能力和混合效率得到显著的改善,其原因在于波瓣喷管能够在其尾缘形成大尺度的轴向旋涡和较低的静压。     

基于燃气发生器法的小型中涵道比发动机性能计算分析

为了研究小型中涵道比分排涡扇发动机装机性能,建立了基于燃气发生器法的性能计算模型。由CFD数值模拟计算喷管特性,由发动机地面台架试验及针对小型中涵道比的特点发展的修正方法获取内外涵喷管进口总压和总温的修正系数曲线,经高空模拟台试验验证,发动机最大状态下的推力计算误差≤0.5%。再基于飞行试验测试数据,计算得到发动机在装机条件下的空气流量与飞行推力,与发动机设计厂家的模型计算结果相比,发动机各状态下推力最大误差≤1.3%,流量最大误差≤2.5%。结果表明：发展的性能模型修正方法适用于小型中等涵道比涡扇发动机的装机性能确定;同时修正中等涵道比分排发动机的内外涵喷管进口压力可提高模型推力计算精度;同时修正小流量分排发动机内外涵喷管进口温度可提高流量计算精度。     

水蒸汽凝结对超声速风洞蒸汽引射系统的影响

蒸汽引射方案是引射式超声速风洞的可选方案，为考察该方案产生凝结激波的条件及其水蒸汽凝结对引射系统性能的影响，在Fluent平台上采用自定义模块耦合希尔动量模型，编写了能模拟高速气流中水蒸汽凝结的计算程序。校验了数值模型和方法的可靠性。在此基础上，对蒸汽引射流场内的水蒸汽凝结问题进行了初步数值研究。得到喷管、引射流场参数以及液滴质量百分数、结核增长率的分布。结果表明：（1）水蒸汽凝结主要发生在引射喷管和喷管出口膨胀区中。其中，在引射喷管内的蒸汽凝结占大部分。凝结核增长为主要特征。（2）初始结核区位于超声速气流是凝结激波产生条件。采用饱和蒸汽引射可避免产生凝结激波。（3）尽管是否考虑凝结／无凝结效应会造成引射流场产生差异，但两者总体相似。（4）水蒸汽凝结会给引射系统带来较大的性能损失，但通过改进气动轮廓可减小其影响。     

间冷回热涡扇发动机回热器在喷管内的安装布局研究北大核心

通过引入多孔介质模型,建立了适用于复杂管束结构的CFD计算模型,并利用文献数据对其进行了校核。在此基础上,对安装回热器模块后的喷管流场进行数值仿真研究,得到燃气在喷管内的流动结构、压力损失及流量分配参数。基于Isight优化平台,在给定相同压力损失条件下,得到通过回热器最大总燃气流量下的安装方案,以及安装变量对优化目标函数的影响权重,可为回热器安装设计提供指导,并为进一步的全三维CFD研究提供理论支持。     

加遮挡罩二元喷管红外辐射特性数值研究

采用计算流体动力学/红外辐射数值计算方法,针对涡扇发动机排气系统,研究了宽高比为3.33的圆转矩形二元喷管尾缘加装遮挡罩以及遮挡罩夹层通道注入冷却气流对红外辐射特性的影响.研究参数范围内的结果表明:遮挡罩内引射或强迫注气的冷却气流对喷流有进一步混合的作用,加装遮挡罩后喷流的红外辐射强度相对于单纯的二元喷管有一定幅度的降低;随着冷却气流流量的增大,二元喷管尾缘内壁面的温度降低效果越显著,有效地利用喷管的引射作用,可以取得良好的红外抑制效果;只有在喷管内壁面红外辐射占主导的探测范围内,加装遮挡罩抑制二元喷管红外辐射的作用才能得到体现.      

间冷回热涡扇发动机回热器在喷管内的安装布局研究

通过引入多孔介质模型,建立了适用于复杂管束结构的CFD计算模型,并利用文献数据对其进行了校核。在此基础上,对安装回热器模块后的喷管流场进行数值仿真研究,得到燃气在喷管内的流动结构、压力损失及流量分配参数。基于Isight优化平台,在给定相同压力损失条件下,得到通过回热器最大总燃气流量下的安装方案,以及安装变量对优化目标函数的影响权重,可为回热器安装设计提供指导,并为进一步的全三维CFD研究提供理论支持。     

用于超声速民机的变循环发动机研究进展

虽然自"协和"式民机退出蓝天后,在役民机止步于高亚声速,但是研究人员追寻超声速民用运输的脚步却从未停止,并且自第1代超声速民机以后,对超声速民机的研究就从未脱离过变循环发动机的技术探索。叙述了国外超声速民机用变循环发动机的发展历程,着重介绍了美国超声速巡航研究(SCR)计划、美国高速研究(HSR)计划、欧洲超声速研究(ESRP)计划、日本高超声速运输机推进系统研究(HYPR)计划、美国商业超声速(CST)计划下的变循环发动机研制情况,总结了各计划下变循环发动机的结构特点、性能优势及发展目标,论述了进/发匹配、低噪声、低排放等超声速民机用变循环发动机的关键技术及研究进展,为中国超声速民机用变循环发动机的发展提供一定的参考。     

第四代战斗机推进系统循环参数优化研究

本文对有和没有超音速巡航任务段的第四代战斗机推进系统的循环参数进行了最优化计算,分析了超音速巡航距离、发动机全寿命费用和部件效率对发动机最优循环参数选取的影响。结果表明宜采用小涵道比涡扇发动机,而且不考虑费用时涡轮前温度取值越高越好,考虑费用时则有最大值;提高发动机部件效率对循环参数取值影响较大,而且使飞机性能提高较多。      

推进系统性能分析

本文应用我们所建立的推进系统性能计算程序,研究进气道-发动机-喷管匹配,分析了各种设计参数和使用条件对推进系统性能的影响,并把推进系统和飞机组成一个系统,进行发动机最佳循环参数的优选。     

选择发动机最佳循环参数的一体化方法研究

 航空发动机是飞机的动力装置,它的性能、重量、尺寸都对飞机性能有显著影响。本文从系统工程的观点出发,综合考虑飞机、发动机性能的相互影响和匹配,提出了以最好地满足飞机飞行任务为目标,选择发动机最佳循环参数和调节计划的一体化方法。 本文的应用实例是歼击机动力改型时优选加力发动机的最佳设计方案。计算结果表明:飞机飞行任务不同、改型要求不同、约束条件不同,发动机最佳方案的类型、循环参数和调节计划也完全不同。因此,一体化选择方法具有重要实际意义。     

自适应变循环发动机性能优势评价方法

为了综合评价自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机的性能优势,提出了从发动机耗油率降低和质量增加2个维度以及从发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间关系的角度来评价自适应变循环发动机性能的2种方法。结果表明:发动机耗油率降低和质量增加之间存在某个平衡点,只有质量增加幅度小于耗油率降低幅度时,才能体现自适应变循环发动机的性能优势,并且飞机航程越长,越能体现自适应变循环发动机耗油率降低带来的优势;发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间呈指数关系变化,当假设飞机巡航航程为3500 km、飞机升阻比为10.5时,自适应变循环发动机巡航耗油率相比常规涡扇发动机的降低1%,可使飞机燃油消耗量减少约1.9%,飞机燃油效率提高约2.4%。     

基于分析法的RBCC引射模态能量利用规律

为实现RBCC(火箭基组合循环)节约燃料的目的,基于分析法,研究了引射模态下发动机典型部件和系统能量利用与转化的规律。结果表明:引射火箭在RBCC发动机主体部件中损失最大,效率最低(48%~62%);发动机效率随来流马赫数的增加而不断增大,当来流马赫数小于2.5时,增长速度缓慢;当来流马赫数大于2.5时,增长速度加快;作为一种能量经济性指标,突破了以往基于热力学第一定律的发动机性能分析的局限性,通过单一参数将进气道、引射火箭和混合室等独立部件耦合起来,可全面评价组合循环发动机能量综合利用的性能,指导发动机设计和能量优化工作。     

空天机复合循环推进技术新概念研究——液化空气循环在其中的应用

研究了空天机复合循环推进技术中的一个新概念——以液化空气循环为基础的SERJ组合发动机性能。计算了空气液化后分离为液氧和液氮后组合发动机在不同高度、不同飞行马赫数下的性能曲线,并考虑了液化空气量对组合发动机性能的影响。对计算结果的分析表明,液化空气循环虽然使组合发动机推力下降,但能使比冲有较大幅度的上升;液化空气量过大与过小均不利于进一步提高比冲性能,而是存在一个最佳值。     

受限共轴射流的湍流混合过程数值模拟

本文以下Ｓｔｉｒｌｉｎｇ发动机引射管设计为研究对象，对亚声速受限共轴射流中的两种气体混合过程，用数值模拟方法求解了轴对称雷诺平均Ｎ－Ｓ方程组。提出的一种改进的显式有限体积法，包括基于网格角点的具有高分辨的中心／迎风ＱＵＩＣＫ算法，四阶人工耗散、局部时间步长和隐式余数光滑技术的应用。为加速收敛，采用一种类似于总焓阻尼的方法，引入质量流量阻尼和气流中化学组份质量分数阻尼，以快速获得足够近似的解，适合工     

航空发动机飞行载荷谱的预测

提出了基于飞机的设计飞行任务剖面、飞行力学及发动机原理的发动机飞行载荷的预测方法,即首先将飞机的设计飞行任务剖面通过飞行力学的基本原理转化为发动机的推力（或油门）剖面,然后通过发动机性能计算获得发动机的其它工作状态参数,从而获得发动机的飞行载荷谱。