瓦状塞式喷管的实验和数值模拟研究

从冷流实验和数值模拟两方面对瓦状塞式喷管和钟型喷管的性能进行了对比研究.实验获得了集气室压强、发动机推力和环境压强等参数,得出了喷管效率的高度特性曲线.数值计算了三个实验喷管的性能,数值模拟结果与实验数据吻合较好.实验和数值模拟均表明瓦状塞式喷管相对钟型喷管具有良好的高度补偿能力;以简化的直线塞锥代替按照理想膨胀特征线法设计的型面塞锥会带来较大的性能损失;瓦状塞式喷管具有较高的性能,可以成为未来工程应用的选择方案.     

结构参数对环簇式塞式喷管性能的影响

为研究环簇式塞式喷管设计中人为选择的结构参数对性能的影响,在单元间距与内喷管出口直径比、单元喷管数目、内喷管面积比分别相同的前提下,计算并比较了三种塞式喷管的推力效率.结果表明,高空下内喷管面积比30.2的8单元接触式的效率最高,而低空下内喷管面积比20.7的8单元间隔式的效率最高.因此在总面积比一定的情况下,若塞式喷管在中低空高度下工作,则单元内喷管面积比可取得小些,以保证中低空下的效率;反之,则单元内喷管面积比尽量取得大些.      

矩形内喷管塞式喷管的数值计算与实验研究

为了了解内喷管为二维矩型的塞式喷管性能,设计了一个二单元的实验塞式喷管,并对模型进行了数值模拟和实验研究。数值模拟采用无波动、无自由函数耗散(NND)差分格式求解三维NS方程,利用空气冷流实验方法评价了喷管性能。研究模型的内喷管喉部面积为4×60mm2,内喷管面积比为4,总面积比为24.05,设计压力比为500。计算得到了正确的流场结构和塞锥表面压强分布,结果与实验数据吻合很好,效率数值最大相差1%。模型的性能也比较理想:最大的推力系数效率为0.995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,推力系数效率在0.97～0.995之间变化。不同压强比下全锥塞式喷管的塞锥表面压强分布规律,可以作为研究截短型塞式喷管塞锥压强分布的基础。      

瓦状特征型面塞式喷管三维计算与实验

为了进一步了解瓦状塞式喷管的性能,采用NND差分格式求解三维N S方程和空气冷流对6单元瓦状特征型面塞式喷管进行了数值模拟和实验研究。研究模型的内喷管面积比为4,总面积比为40,设计压强比为1047。计算得到了流场马赫数和塞锥表面压强分布、喷管推力系数效率,以及不同压强比下中心平面、过渡平面和边缘平面的塞锥表面压强变化规律。计算结果与实验数据吻合得较好,效率数值最大相差1%。实验塞式喷管最大的推力系数效率为0 995,同钟型喷管相比,具有很好的高度补偿能力:从地面到高空,效率在0 93～0 995之间变化。和以前简化型面的4单元瓦状塞式喷管相比,实验和数值模拟均说明塞锥特征型面的优化设计提高了喷管性能,更充分体现了塞式喷管的高度补偿特性,可以成为未来工程应用的选择方案。     

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。     

两相流对固体火箭发动机塞式喷管性能的影响

针对固体火箭发动机中气固两相流对塞式喷管性能的影响,利用颗粒轨道模型法计算了环喉型塞式喷管两相流流场,辨识颗粒在流场中的运动轨迹,分析不同粒径颗粒对流场及推力性能的影响。结合传统钟形喷管,比较不同工况下塞式喷管与钟形喷管的推力性能,分析气固两相流对塞式喷管高度补偿特性的影响。结果表明：随着颗粒粒径的增大,颗粒会出现交错式的运动,增加了流场的复杂性;单个颗粒与该截断式塞锥只会发生一次碰撞,且粒径越大,碰撞位置越靠前;单一粒径颗粒带来的推力性能损失与颗粒粒径成正比,与工作压比成反比;真实工作条件下,相比于钟形喷管,气固两相流在设计工况对塞式喷管带来约3%更多的推力效率损失,推力效率最终趋于弱于钟型喷管2.7%,但塞式喷管在低压比工况仍具有可观的性能优势。     

主要结构参数对直排塞式喷管性能的影响

数值模拟了内喷管面积比、内喷管型式和塞锥截短对塞式喷管性能的影响,比较了不同结构参数选择下对应的塞锥尺寸。内喷管在地面处于欠膨胀和完全膨胀时塞式喷管的性能高于内喷管在地面处于过膨胀时的性能;内喷管为矩型喉部矩型出口二维喷管的塞式喷管效率最高,内喷管为圆喉方型出口和圆喉矩型出口的塞式喷管性能接近,但都比具有二维内喷管的塞式喷管效率稍低;塞锥截得越短,塞式喷管的效率越低,不同塞锥截短率塞式喷管的性能差别随着压比的增加而减小;随着塞锥长度的增加,塞锥长度对塞式喷管性能的影响逐渐降低。     

高度补偿喷管的氢氧热试研究

采用气氧作氧化剂、气氢作燃料, 对具有高度补偿特性的塞式喷管和双钟型喷管进行了点火热试.介绍了气氢/气氧试验系统, 以及试验喷管的结构形式、设计参数和装配照片, 喷管试验件采用耐烧蚀的钨渗铜材料加工, 成功进行了多次短时间点火热试.给出了试验测量参数曲线、点火热试照片和数据结果, 获得了不同高度下塞式喷管和双钟型喷管的热试性能数据, 和当量钟型喷管相比两者都具有较好的高度补偿特性.以推力系数效率为例, 塞式喷管在低空压强比下达到92%-95%, 双钟型喷管低空下为96%-98%, 高空下则都在95%左右.      

塞式喷管气动特性与性能研究

对6单元瓦状塞式喷管、6单元圆转方内喷管塞式喷管和1单元直排塞式喷管进行了实验和数值模拟研究.实验表明,3个塞式喷管具有良好的高度补偿特性和较高的效率,6单元瓦状塞式喷管和1单元直排塞式喷管在设计高度的效率接近100%;由于内喷管型面不够理想和加工时存在的缺陷,6单元圆转方内喷管塞式喷管的设计点效率在95%左右.数值模拟结果与实验数据吻合较好,结合实验和数值模拟分析了外界反压对气流,进而对底部气动特性的影响.实验研究了底部二次流流量变化对性能的影响.     

固体火箭发动机塞式喷管两相流场与性能分析

为了解固体发动机塞式喷管中两相流场的特点和性能的情况,采用欧拉-拉格朗日两相方法对二维全长塞式喷管的两相流场进行了计算.将纯气相流场和两相流场进行了比较,结果表明由于颗粒相的存在使气流的比热比减小,使得低空环境中,塞锥表面的压强峰后移;高空环境中,塞锥表面的压强会升高.大直径颗粒的运动轨迹受外界反压和塞锥气流变化的影响小,小直径颗粒的运动轨迹受外界反压变化和塞锥气流变化的影响大;在两相流性能方面塞式喷管与钟型喷管类似,微粒直径较大的情况下,塞式喷管的效率较低;塞式喷管的效率随着颗粒含量的升高而降低.     

六单元圆转方塞式喷管冷流试验与分析

对六单元圆转方塞式喷管的性能以及内喷管间隙与塞锥侧板的影响情况进行了冷流试验,利用纹影显示技术得到了地面、中空和高空三种工作高度下的流场结构。结合塞锥表面压强的计算结果和试验效率曲线,分析了内喷管单元间隙和塞锥侧板对性能的影响,单元之间有间隙和无塞锥侧板均会一定程度地降低喷管性能。结果表明,从地面到高空,六单元圆转方塞式喷管试验模型具有一定的高度补偿能力,其中无单元间隙有塞锥侧板的模型的推力系数效率在0.90~0.95之间变化。但设计高度下的效率低于理论预期值,其性能损失主要是圆转方内喷管型面、塞锥截短、多单元出口激波、底部不封闭等原因造成的。     

应用于翼型绕流的线性/非线性湍流模式的研究

本文选取了四个线性湍流模式、四个非线性涡粘性湍流模式和一个显式代数应力模式对绕翼型的不可压缩分离流动进行了数值模拟.因计算鲁棒性的需要,其中部分模式在壁面附近耦合了一方程模式.通过与实验结果的比较,对翼型在大攻角情况下流动产生分离的气动特性进行了评估.计算结果表明,非线性模式能够较好地反映湍流的各向异性和曲率影响.     

固体塞式喷管二次喷射推力矢量控制

结合塞式喷管的结构特点,选用流体二次喷射的方法,在应用迎风格式求解N-S方程的基础上,对固体塞式喷管发动机的推力矢量控制进行了初步研究。考察了工作压比、流体二次喷射的角度和流量对固体塞式喷管的高度特性以及流体二次喷射产生的侧向力的影响。结果表明,流体二次喷射的推力矢量控制方法可以增加塞式喷管的轴向力;流体二次喷射产生的侧向力与二次喷射的流量和角度成正变关系;塞式喷管轴向力的增加随着二次流流量的增加而增加,但是二次流对轴向力的增加与二次流喷射的角度成反变关系。     

塞式喷管推力模型的建立与实验验证

 为了能够方便快捷地对塞式喷管发动机的性能做出准确的预示，通过理论分析，结合塞式喷管的流场特征，提出了一种塞式喷管壁面压强分布的数学模型。在此基础上，分别建立了全长型和截短型的塞式喷管的推力模型。通过与实验的对比分析，模型与实验数据基本吻合，验证了塞式壁面压力分布的数学模型以及在此基础上建立的推力模型，可以作为塞式喷管发动机性能预示的有效工具。     

分开式与混合式排气喷管气动特性对比研究

通过内外流场的3维数值模拟,考察多种结构形式的V形齿和波瓣混合器分别对分开式和混合式排气喷管气动特性的影响,此外,比较了涵道比为7一级的分开式和混合式2种喷管在起飞和巡航状态下的推力性能,以期为大涵道比涡扇发动机排气系统的方案选择和气动设计提供参考和指导.计算结果表明：内外交错型V形尾缘十分显著地加强了分开排气喷管尾喷流的掺混,并且造成的推力损失不大;内窄外宽型尾缘的波瓣混合器有利于混合排气喷管气动性能的提高;在7一级的涵道比下,混合排气喷管的推力性能要优于分开排气喷管的.     

Computational approach for investigation of thrust and acoustic performances of present-day nozzles

A computational viewpoint on the problems of design and numerical simulation for the nozzles of modern aircraft turbofan engines is presented. Modern concepts of noise-suppressing nozzles for civil aircraft are reviewed. Examples of application of CFD (computational fluid dynamics) methods to the analysis of nozzle flow structure and assessment of nozzle thrust characteristics are given. Errors of turbulence models in simulation of jets are analyzed. The authors’ experience in simulation of noise-suppressing nozzles for supersonic civil aircrafts is demonstrated. Insufficient accuracy of acoustic analogies for this class of tasks is shown, but a possible area of acoustic analogies application is noted. The essential elements of computational aeroacoustics (CAA) approach and numerical methods characteristic of CAA are reviewed. Numerical methodology for the simulation of nozzle acoustic performance is described in detail, including methods for simulation of near and far field of a nozzle, for generation of input perturbations and for the processing the far-field noise. Results of verification and methodical analysis of this acoustic methodology are presented.     

面积比、波瓣张角对多级波瓣喷管性能的影响研究

在11 km高空环境下,对喷管出口马赫数为0.75的2级波瓣喷管内外流场进行数值模拟。通过改变第1级波瓣喷管的引射面积比及第2级波瓣的下张角,分析了2级波瓣喷管的性能变化。结果表明,第1级波瓣的引射效率在第1级引射面积比为1.50时达到峰值;在总引射面积比为3.50时,上张角为15°、下张角为0°的2级波瓣喷管性能较好,其引射系数比单级波瓣喷管的高30%,推力大4%。