变循环发动机前涵道引射器简化模型实验与仿真研究

以典型前涵道引射器基本构型与气动参数为基础,开展了前涵道引射器简化模型实验研究。通过实验与仿真相结合的方法,研究了变循环发动机在单、双涵道模式下前涵道引射器的气动性能以及不同核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage,CDFS）旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响,得到了流量比、压比对前涵道引射器气动性能的影响规律。结果表明,在单涵道模式下,仿真得到的沿程截面的总压分布与实验结果非常吻合,CDFS旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响可以忽略,而出口总压恢复系数随CDFS旁路喉道马赫数增加而降低。在双涵道模式下,SST k-ω模型能够较好地模拟气流的掺混过程,但在出口总压分布上,实验结果更加均匀;CDFS旁路出口角度对两股气流的掺混影响较小;压比一定时,出口总压恢复系数随出口背压的增加先增加后降低;压比为1.35时,流量比变化1.1,总压恢复系数的变化量约为2.6%,压比为1.19时,流量比变化1.2,总压恢复系数的变化量约为0.46%。     

串联式TBCC后涵道引射器设计

对串联式TBCC发动机后涵道引射器开展了气动流道设计及模型试验研究,并通过数值计算与模型试验结果对比确定了后涵道引射器的性能特性。研究结果表明,背压降低,涵道比增大,总压恢复系数降低;内外涵总压比增大,涵道比和总压恢复系数呈降低趋势,总体匹配应避免内外涵压比过大;开度对涵道比有明显影响(开度越大,涵道比越大),但对总压恢复系数影响较小。后涵道引射器方案可以实现涵道比0.2以上、总压恢复系数不低于0.95,在满足此性能要求下调节机构应实现最大开度不小于10.0 mm。     

前可变面积涵道引射器特性的试验与数值模拟

为了研究主、次流的进口总压比及出口背压对前可变面积涵道引射器(FVABI)工作特性的影响与流动掺混机理,采用试验与三维数值模拟方法对不同进口总压比下引射器工作性能及掺混流场随背压变化规律进行了分析。结果表明:标准k -ε模型用于引射器掺混流场的模拟具有较好的准确性;进口总压比越大,引射器总压损失越大;进口总压比不变,随背压增加,引射器总压损失先减小后增加;进口总压比不变,引射器在背压变化过程中存在总压损失最小点;背压减小时,引射器存在临界工况点,且进口总压比越大达到临界工况点的背压越大,可变涵道比的范围变窄;主、次流掺混过程主要集中在沿气流方向上x/l=03~06位置之间,在黏性力作用下动量、质量充分交换,沿流向截面速度径向分布趋于均匀。     

可变面积涵道引射器对变循环发动机性能影响

分析了变循环发动机前、后涵道引射器的几何调节方式,建立了变循环发动机稳态及过渡态数学模型,并考虑了前涵道引射器和模态选择阀门由于面积突变引起的局部总压损失,模拟了变循环发动机单外涵模式、双外涵模式及模态转换过渡态过程中,前、后涵道引射器面积对发动机性能和稳定性的影响,并与NASA试验数据进行了对比.结果表明：单外涵模式,放大前涵道引射器内涵进口面积会减小变循环发动机的回流裕度,但可增大风扇和核心驱动风扇级的喘振裕度;在由单外涵模式过渡至双外涵模式的模态转换后期,减小后涵道引射器外涵进口面积可减缓风扇压比的下降;建议前涵道引射器选择总面积保持不变而内涵进口面积改变,后涵道引射器选择内涵进口面积保持不变而外涵进口面积改变的调节方式.     

排焰道流动损失对地下井引射性能的影响

针对地下井引射器设计问题,基于引射器函数理论和可压缩流体管道流动理论,提出了一种考虑排焰道流动损失的地下井引射器描述方法,并结合理想引射器数学模型,分别建立了考虑排焰道流动损失的基本引射器数学模型和极限引射器数学模型。基于上述两个数学模型,通过引入考虑排焰道流动损失的引射器函数和静压协调函数,分析了发动机总压、混合室直径、总体冲量阻力系数对地下井引射性能的影响和总体冲量阻力系数随排焰道阻力系数和转角的变化规律。结果表明,不能通过持续增大发动机总压和减小混合室直径的方法获得较低的混合室入口压强,较小的总体冲量阻力系数可以获得较低的混合室压强,总体冲量阻力系数随着转角的减小和阻力系数的增大而增大。     

进口速度畸变以及涵道比对波瓣混合器性能影响的试验研究

为了研究不同进口速度畸变以及涵道比对波瓣混合器性能的影响规律,以带进口畸变孔板的双涵道全环轴对称加力模型试验件为研究对象,采用五孔探针配合三维位移机构测量了不同涵道比下波瓣混合器后的三维流场。试验研究表明:随着波瓣混合器出口距离的增加,内外涵掺混速度先升高后降低,总压恢复系数逐渐降低,混合效率和推力增益逐渐升高;随着混合器涵道比的增加,流向涡及低温区域范围增大,混合均匀性下降,混合效率和总压恢复系数均降低;进口畸变峰值在上方时,气流加速掺混对推力增益有益,总压恢复系数更高,小涵道比混合效率更高;进口畸变峰值在下方时,扩压段壁面静压和中心锥锥体静压均较高。     

基于多级等压混合的引射器参数匹配与优化

匹配和优化多级等压混合引射器的各项参数,得到理想的引射器增压比和引射效率,目的是提高多级等压混合引射器性能。通过数学分析和实验,研究了单级引射器参数变化对性能的影响,明确了多级等压混合引射器级数的确定原则,对影响单级引射器性能的参数在多级中进行了匹配和优化,表明引射马赫数、被引射气体温度、单级引射器引射系数和增压比匹配与优化后,能显著提升多级等压混合引射器性能。     

气冷环向稳定器张角对混合扩压器性能影响

为了研究气冷环向稳定器张角对混合扩压器性能的影响规律,针对一种混合扩压器和气冷稳定器一体化新型结构,基于N-S方程建立了流场三维数值计算模型,采用数值模拟研究了气冷环向稳定器张角对混合扩压器流场、热混合效率和流动损失的影响规律。结果表明:在气冷稳定器的诱导作用下,外涵冷空气大量入侵内涵高温燃气,使内外涵流体之间进行强力掺混,大大提高了外涵冷空气温度;随着气冷环向稳定器张角的增大,稳定器堵塞比增大,流动损失增大,总压恢复系数减小;14°张角模型的混合扩压器总压恢复系数最大,其值为0.992,比最小值大0.002;此外,热混合效率随气冷环向稳定器张角的增加变化较小,加力燃烧室出口热混合效率最大值与最小值仅相差1.6%。     

裙边宽度对平行进气混合扩压器性能影响

为了明晰裙边混合器裙边宽度对涡扇发动机加力燃烧室平行进气混合扩压器气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes（N-S）方程的三维数值模拟方法对不同裙边宽度模型进行了定量研究,得到了流场、流向涡涡量场、热混合效率、总压恢复系数、混合扩压器出口平均速度及速度因数、混合扩压器出口温度均匀度的变化规律.结果表明:裙边宽度在40~130mm之间变化时,在混合扩压器出口截面处,随着裙边宽度的增加,流向涡的影响范围不断增大,促进内外涵道的气流掺混;热混合效率随裙边宽度的增大先增大后减小,总压恢复系数随裙边宽度的增大总体呈线性减小趋势.混合扩压器出口的平均速度及速度因数随裙边宽度的增大呈线性减小趋势,混合扩压器出口的温度均匀度随裙边宽度的增大而增大.      

主流倾斜的两级引射器模型试验研究

研究了一种主流倾斜的两级等直径排气引射器,并进行了缩比模型吹风试验。模型前后级之间的间距可调,分别在5种主气流偏角α和4种排气反压下,完成了三种模型间距的冷流试验。试验表明,三种模型的引射系数随排气反应的增大而减小,最大排气反压约为3432Pa(35cm水柱）,在零反压时,最大引射系数接近10。在主流有偏角的情况下,两级引射器中的间隙有气体排出,这将不利于排气引射器的正常工作。