涵道风扇部件耦合设计方法及初步应用

涵道风扇是未来绿色航空动力的重要发展方向,快速、准确的涵道风扇设计方法成为工程领域的迫切需求。在传统的涵道风扇设计方法中,部件间的耦合效应需要建立在完善的三维数值计算或试验数据的基础之上。而本文发展了考虑涵道风扇关键部件耦合效应的设计方法,形成了涵道风扇一体化设计手段,并以此为基础开展了涵道风扇的一体化设计及验证工作。结果表明：相比于简单叠加设计方法,耦合设计使叶片推力设计误差由15%减小到3.5%;采用部件耦合方法设计的带有扩张喷管涵道风扇和等直径喷管涵道风扇的转静叶片推力设计误差满足工程需求,确认了部件耦合的设计方法正确传递了部件间的影响关系;通过试验对设计结果进行了推力校验,试验结果与设计点的总推力误差为1.25%,证明了本文发展的耦合设计方法的准确性。     

分开排气系统的1种设计方法及其性能研究

针对大涵道比涡扇发动机,开展了其排气系统气动型面参数化设计方法和气动性能的研究。通过控制外涵、内涵喷管流道的中心线形状和流通面积,设计了外涵、内涵分开排气喷管气动型面。采用数值模拟的方法模拟了喷管的流场结构,并分析了外涵落压比和自由流马赫数对喷管推力系数的影响。在自由流马赫数为0.050时,推力系数随外涵落压比的增大而增大,在自由流马赫数为0.785时,推力系数随外涵落压比的增大而减小;在外涵落压比相同时,自由流马赫数越大,核心机舱外罩b段与尾锥b段所受轴向力在喷管总推力中所占比例越大,对喷管推力系数的影响也增大。     

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

合排气二元收敛喷管与发动机流量匹配设计方法

发展了一种基于喷管三维黏性数值分析的内外涵气流质量流量匹配设计方法.该方法主要是通过建立以喷管待定几何参数为未知量的非线性无量纲内外涵气流质量流量匹配方程组,然后采用逐步线性迭代法结合喷管三维黏性数值分析对该非线性方程组进行求解,得到满足发动机内外涵流量匹配的喷管设计方案.通过数值算例验证分析,结果表明：①该方法可以快...     

轴对称分开排气喷管改混合排气喷管设计方法

为将涡扇发动机轴对称分开排气喷管改型设计为混合排气喷管以获取混合推力增益且改变其红外辐射(IR)特征，提出了一套基于CFD数值计算评估的轴对称分开排气喷管改型设计方法。研究结果包括:①提出了内、外涵气流不同程度掺混时推力的估算方法，估算值与真实值的误差在所研究参数范围内不超过0.005；②分析了内、外涵气流掺混对改型设计的影响，喷管外涵气流与内涵气流的总压比在0.8~1.5之间且掺混度大于0.1时混合排气最有可能产生推力增益，且掺混越好，增益越高；③轴对称分开排气喷管改型设计为带环形混合器的混合排气喷管后，推力系数增加0.0087~0.0126，而采用波瓣混合器时喷管的推力系数则增加0.0289；④相比于分开排气，混合排气喷管在0°~15°方向上的红外辐射强度有所增加，但在其他所有方位角上均大幅下降，最大降幅为77.5%。      

三环驱动轴对称推力矢量喷管逆运动学分析

针对某三环驱动轴对称推力矢量喷管,将喷管驱动结构分解为三个子模块,应用空间机构位置分析法、解析几何法、坐标转换法分别对上、中、下子模块进行分析,建立了完整的喷管驱动机构逆运动学模型,利用实体实验与仿真测试相结合的方法验证了喷管结构设计的合理性和所建模型用于喷管控制的有效性。所建模型准确率达到98%,为下一步喷管优化设计及控制器的研发提供了一定的理论基础。      

塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响

为了分析塞式喷管结构对固液火箭发动机的性能影响,分别设计了使用塞式喷管和钟形喷管的固液火箭发动机。发动机喷管选取了三个不同的扩张比,对应高空和地面两个设计状态。通过数值仿真,预估了发动机的性能,并将使用塞式喷管结构和钟形喷管结构的两种固液火箭发动机进行了对比分析。结果表明:相对于钟形喷管结构,使用塞式喷管结构能够提高固液火箭发动机的燃烧效率和比冲效率,且最大分别提高了4.13%和3.37%;地面条件下,大扩张比的塞式喷管的仿真推力系数要比同扩张比的钟形喷管的仿真推力系数大2.69%,体现出塞式喷管的高度补偿效应;与钟形喷管内壁面温度相比,塞式喷管塞锥壁面的温度明显更低。     

短距起飞/垂直降落发动机建模技术研究

参考常规双轴涡扇发动机数学模型,建立了适用于短距起飞/垂直降落(STOVL)飞机的变循环发动机部件级数学模型;通过特性外推,建立了轴驱动升力风扇数学模型;采用神经网络映射涵道总压损失的方法,建立了滚转喷管和外涵模型.根据STOVL发动机结构和部件变化特点,建立了稳态和动态共同工作方程.参照国外文献仿真数据进行设计点计算,并按照Bevilaqua提出方法开展了由常规涡轮风扇模式到悬停涡轮轴模式的过渡态仿真.仿真结果表明:建立的数学模型在悬停状态设计点和高空巡航点与国外文献数据相比误差均小于1.5%,推力达到悬停状态要求,符合STOVL发动机的设计特点,验证了该建模方法的有效性.      

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。     

超临界二氧化碳超声速喷管设计与性能分析

超临界二氧化碳由于其独特的物理性质而受到广泛应用。同时超临界二氧化碳真实气体效应显著，其流动机理和理想气体差别较大，因此需要设计相应的喷管。采用特征线法设计超临界二氧化碳超声速喷管，其中二氧化碳的热力学参数基于S-W方程获得。通过CFD粘性仿真进行边界层修正。分析了改变喷管入口总压、总温对喷管内流场的影响。结果显示，设计工况下喷管出口质量平均马赫数与设计值相差0.033%，喷管内流场品质较好；非设计工况下，由于温度变化会显著改变CO2的热物性参数，入口总温对喷管流场的影响比总压更大，当入口总压和总温分别降低83.33%,52.94%时，出口马赫数分别降低1.16%、提高3.23%。设计工况下喷管流场满足设计要求，非设计工况下喷管出口马赫数与设计值偏差较小。喷管具有较宽的工作域。     

三维并联式TBCC发动机排气系统设计与实验

为实现三维并联式TBCC排气系统的设计,利用基于二维最大推力理论的密切法设计了圆转矩变截面非对称冲压发动机喷管,并在冲压发动机喷管上壁面为三维曲面的条件下,利用转动加滑动共用面的调节方式实现了涡喷发动机喷管的内型面设计及其喉道面积的调节,从而完成了排气系统设计。随后对设计结果进行了冷流实验验证。结果表明,这种排气系统设计方法具有可行性。在冲压单独工作状态,壁面压力分布的数值计算与实验结果吻合较好,相对方均根偏差低于10.8%;在涡喷单独工作状态及共同工作状态,上壁面压力在激波附面层干扰区域内偏差较大,最大相对偏差可达30.6%。但壁面压力分布的数值计算与实验结果的整体变化趋势一致。      

轴对称推力矢量喷管运动奇异性分析

通过建立轴对称推力矢量喷管(AVEN)的构型分岔方程,运用连续同伦方法,研究了AVEN装置驱动机构和扩张调节片导引机构的构型分岔特性,发现,无论推力矢量喷管是否发生偏转,当以喷口面积作为分岔参数时,AVEN装置都存在转向点奇异位置;当以矢量偏转角为分岔参数时,AVEN装置不存在奇异位置。当AVEN装置处于非矢量状态时,扩张调节片导引机构处于多重奇异位置状态。转向点奇异位置和扩张调节片导引机构多重奇异位置,将导致AVEN装置的运动输出具有不确定性,影响含AVEN装置飞机的空中飞行安全。      

一种双S形二元排气系统红外特性的模型实验

通过模型实验测量了一种双S形二元(2-D)喷管排气系统壁面压力和温度分布,以及分别在侧向、下方和上方探测面上的红外辐射强度分布,并与基准轴对称排气系统作了对比分析。实验结果表明:双S形二元喷管排气系统在上方探测面上,红外辐射强度比较大,最大值出现在10°探测角；相比基准轴对称排气系统,双S形二元排气喷管系统红外辐射强度在0°探测角方位平均降低了75.5%,在侧向、下方及上方探测面上90°探测角方位分别降低了57.6%、50.9%和17.3%。      

面向飞/发一体化设计的高温尾喷口流场分析

结合飞/发一体化设计理念,以提升红外隐身性能为目的,引入横向掺混技术进行尾喷管构型设计。应用计算流体力学(CFD)数值仿真方法,分别分析了圆形喷管和矩形喷管流场温度分布,并提取矩形喷管中心面,研究喷管带小孔壁板偏折角对尾流冷却效果的影响。研究结果表明:相对于入口热流温度,矩形喷口降温率约为30%,尾气流喷出后偏向两侧流动,高温核心区体积快速衰减;圆形喷口降温率约为10%,尾气流喷出后沿轴向一直保持圆柱形,高温核心区体积衰减缓慢。矩形喷口主动冷却效果明显高于圆形喷口,更有利于实现飞/发一体化的热管理及红外隐身。同时,中面带小孔壁板偏折角的大小与主动冷却效果也存在密切关系。     

一种双S弯二元喷管的红外辐射特性数值研究

为了降低轴对称排气系统的红外辐射,设计了一种非常规双S弯二元喷管.在CFD计算得到排气系统温度、压力和组分质量分数的基础上,采用反向蒙特卡洛法计算了基准轴对称喷管和双S弯二元喷管的红外辐射特征,并与二元喷管的结果进行了对比.结果表明:双S弯二元喷管能够对排气系统内部的高温部件进行有效遮挡,其强三维流动效应加强了内外涵冷热气流的掺混,在二元喷管的基础上进一步降低了排气系统的红外辐射;随着偏距 S 的增大,红外抑制效果增加,与轴对称喷管相比在推力损失不大于3%的前提下能够平均降低70%以上的红外辐射.      

轴对称收敛-扩散喷管几何参数优化设计

现代航空发动机广泛采用机械可调收敛—扩散喷管,以适应其宽广的工作范围。当发动机工况改变时,要调节排气喷管的出口面积.以获得尽可能高的内特性,此时喷管的其它几何参数也随之改变。喷管各几何参数对内特性的影响可以通过模型试验获得,而可调喷管模型的加工和试验周期长且非常昂贵。因而喷管研制中必须首先对喷管内特性的影响综合考虑,得到最佳的折衷方案,为喷管设计提供依据。喷管的推力系数是衡量喷管内特性的最重要的参数.是喷管设计的主要指标,因而选取推力系数作为优化设计的目标函数。     

塞式喷管底部特性研究

基于实验数据和数值模拟结果,研究了外界反压和底部二次流对塞式喷管底部的影响。实验表明,底部压强分布相对较均匀,底部在不同外界反压下具有不同的气动状态。如果主流在底部受压缩,底部有气动开放的趋势;如果主流在底部受膨胀,底部有气动闭合的趋势;如果底部同时存在压缩和膨胀,其状态与受到压缩和膨胀的相对强弱有关。二次流的注入使底部开闭过渡点的压比值升高,底部闭合后的压强值增大,有利于防止底部开闭过渡时推力出现较大幅度降低。二次流流量达到主流的2.0％后,加大底部二次流流量不再影响底部压强,过多地注入反而会降低塞式喷管的总体效率,1.5％~2.0％主流流量的二次流注入是比较好的选择。     

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。     

最大飞行马赫数3.5的吸气式动力方案初步研究

针对某高超声速飞行器飞行任务对低速推进系统的需求(Ma≤3.5),以某小涵道比加力混排涡扇发动机为背景机提出了两套布局方案.研究结果表明:对于加力涡扇发动机(TF)方案,通过对背景发动机控制规律的优化,能有效降低发动机在高空大马赫数工作状态时混合器内外涵的总压差异,并且能获得更低的发动机单位耗油率.对于加力涡扇/亚燃冲压并联组合发动机方案,与TF方案相比,进气道和喷管的各自独立使其在结构上更加复杂,质量会大大增加,技术风险加大.      

超燃冲压发动机尾喷管流线追踪设计

为了满足超燃冲压发动机三维流道排气系统一体化设计需要,基于轴对称最大推力喷管流动的基准流场,采用流线追踪方法发展了三维尾喷管构型设计技术。根据典型的高超声速飞行条件,设计得到了进口方形,尺寸50mm×50mm,长度560mm,出口高度147mm的三维尾喷管无粘构型,并对其进行了粘性修正。对该尾喷管构型在设计状态进行了无粘和有粘流场计算,得到了推力和升力等性能参数,并对其流场结构有了初步的认识。计算发现,流线追踪构型能有效增大推力,而粘性力是造成推力损失的重要因素。