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。     

叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究

叶片式预旋喷嘴具有尺寸小,落后角大的特点。为了详细研究小尺寸预旋喷嘴的预旋性能,采用五孔探针对叶片式预旋喷嘴的出口流场进行了实验研究。测量了Ma=0.2,0.3时喷嘴出口的压力分布、速度分布和出口气流角度分布,实验获得了喷嘴的落后角和预旋效率,并进行了与实验工况相同的数值计算。通过实验获得的总压云图以及速度云图,可以发现叶片式预旋喷嘴的端壁二次流损失、尾迹损失严重,有明显的边界层分离现象。Ma=0.2时,喷嘴Re数为5.76×104,落后角2.84°,实验测得的预旋效率为0.73;Ma=0.3时,喷嘴Re数为1.06×105,预旋效率提高至0.77。实验模型端壁的影响使预旋效率实验结果偏低6.5%左右。数值结果与实验测得各参数符合较好:数值结果与测得的喷嘴出口截面平均总压、静压偏差在1%以内;出气速度、周向速度以及出气角度与实验结果偏差在4%以内。数值计算表明,叶片式预旋喷嘴的预旋效率基本不受压比影响,随Re数增大先增大后基本不变,最后基本稳定在0.85。     

基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真，探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式，采用基于大涡模拟的仿真方法，对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究，仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节，并通过耦合流体体积法（VOF）与离散相模型（DPM），获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明：在液体填充过程中，喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱，形状并不稳定，内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化，喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均，这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下，不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时，液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性产生的轴向正弦波所导致，产生沿周向分布的环形液带；在0.7MPa下，液膜表面开始出现由瑞利-泰勒（R-T）不稳定性引发的周向扰动波；随着压力增加至1.1MPa，液膜的破碎则由R-T不稳定性主导，产生沿轴向分布的液带结构，随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后，喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布，液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%，与实验数据吻合度较高。     

航空发动机离心式喷嘴宏观喷雾特性

为探究航空发动机离心式喷嘴的喷雾宏观特性，通过将该喷嘴在高温高压定容弹中进行喷雾过程的实验，并结合阴影法与纹影法进行光学测量。首先以水作为射流工质，观察不同喷射压力下水进入大气环境中的雾化角变化，发现喷嘴结构对雾化角有着重要影响，最大雾化角与喷嘴出口的导流结构夹角相等。其次以正癸烷作为工质，通过不同环境压力和温度下的多组实验测量其它喷雾宏观特性如液膜破碎长度，结果表明在背压大于1.75MPa的工况下，该离心式喷嘴无法形成清晰稳定的锥形喷雾结构，此外还揭示了高背压加强了气动力而高环境温度减小了表面张力和粘性力，两者都起着促进雾化的作用。     

非恒定增压式微尺度拉瓦尔喷管流动特性

针对微尺度喷流在航天器运动状态切换时出现的非恒定增压变化,采用直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法对阶跃式增压和线性式增压两种模式下的微尺度拉瓦尔喷管流场进行了模拟,并对其变化过程中的流动特性进行了对比分析。结果显示：阶跃式增压会导致流动特性出现较大幅值的峰谷式波动,而线性式增压下的流动特性则呈现出线性变化的特点;黏性力对微尺度喷流的非恒定增压变化产生了重要的黏滞作用,在喉部扩张段至出口的流场中尤为明显;在设定的条件下,阶跃式增压过程中喷流产生的总冲量较线性式增压高59.5%,质量流量高74.7%,单位工质提供的冲量低约8.6%,波动性也高于线性式模型,阶跃式增压适用于系统需要较大推力改变运动状态且推进剂充足的情况,而线性式增压在系统精确微调或需要推进剂产生更高效能时具有明显的优势。     

组合临界流文丘里喷嘴空气流量测量方法高空舱应用分析

为满足发动机高空试验低流速进气条件下空气流量精确测量,减小进气导管气流附面层影响,弱化空气流量测量与被试发动机相关性。分析了单件/组合临界流文丘里喷嘴的工作特性,给出了组合临界流文丘里喷嘴(ACFVN)空气流量计算方法,依据给定试验发动机和高空舱尺寸设计了临界流文丘里喷嘴组合结构,得到了组合临界流文丘里喷嘴在高空舱应用的控制方法和测试布局。采用小尺寸喷嘴对组合喷嘴设计和应用方法进行了验证,结果表明:采用打开/关闭喷嘴数量和调节进气压力两种组合方式在高空舱内应用方法可行,测试布局满足测量要求,下游发动机进口截面气流紊流度优于0.3%,满足发动机高空模拟试验要求。      

预旋喷嘴径向角度对预旋特性影响的数值研究

为了降低低位进气预旋流路的气动损失，针对带有不同径向角度（0°~30°）预旋喷嘴的预旋系统进行了数值仿真，并对流动特性、温降特性和比熵增特性进行了分析。结果表明:随着预旋喷嘴径向角度的增大，预旋系统无量纲温降先增大后减小，流动阻力减小，预旋系统的流量随之增大。旋转雷诺数为2.3×107时，预旋喷嘴带径向角度的预旋系统无量纲温降比传统喷嘴最大可提高18.3%，存在某一角度使预旋温降特性达到最好。预旋系统内的耗散主要发生在预旋腔和共转盘腔内，径向角度为10°时其比熵增变化量分别占整个预旋系统总体比熵增的42.4%和30.2%；合理设计预旋喷嘴的径向角度，能改善预旋腔内气流的流动效果，并且可以减少整个预旋系统的不可逆损失。      

柴油机两级VNT混联系统整机效率优化

为提高柴油机的余热回收利用率,提出一种基于可变喷嘴环式涡轮VNT（variable nozzle turbine）技术的两级涡轮混联系统。该系统根据柴油机运行工况,通过控制阀门的开闭来实现混联系统中串联工作模式和并联工作模式的转换。以涡轮的有效直径为参数来表征涡轮的流通能力,利用GT-Power仿真平台研究了两种工作模式下增压涡轮和动力涡轮的流通能力对发动机功率、动力涡轮功率及涡轮增压器性能的影响规律；提出了增压涡轮、动力涡轮与发动机的匹配策略；以系统整机效率最优为目标,针对柴油机不同运行工况进行混联方式的优化控制。结果表明:针对柴油机的不同运行工况,通过两级VNT复合系统混联优化运行方案,能够有效回收柴油机废气能量,额定工况下系统整机效率提高5.1%。      

堵塞条件下发动机高空试验推力差异分析

堵塞技术是降低发动机高空模拟试验成本和解决设备抽气能力不足的可行手段。在不同喷管排气环境压力条件下，某型带拉瓦尔喷管涡扇发动机完成了四组堵塞对推力影响的试验，发动机总推力试验值最大差异为6.2%。为揭示试验推力差异产生的原因，提高堵塞条件下发动机高空试验推力评估的准确性，开展了相关的理论分析和一维仿真计算，提出了主要影响量估算方法。结果表明：推力差异主要与发动机转速、结果修正方法和喷管扩张段流场特性有关；按文中提出的主要影响量估算方法计算了这些因素对推力的影响量，扣除影响量后总推力的最大差异降至0.8%；相同转速下，总推力相似换算值随喷管排气压力的升高呈增大趋势，最大差异达到3.3%。     

基于变刚度变阻尼的柔性喷管动态模型

针对柔性接头动态迟滞曲线受控制系统控制位置精度和动态响应速度影响较大的问题,基于电液伺服机构和柔性接头变刚度变阻尼模型,构建了柔性喷管的电液伺服机构-变刚度变阻尼模型,将其和电液伺服机构-定刚度定阻尼模型进行了对比。分析了电液伺服机构主要参数、柔性接头工作参数等对电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的影响。分析结果表明:电液伺服机构-变刚度变阻尼模型所构造的迟滞曲线可更准确地与实验结果相吻合,并符合迟滞曲线随频率变化的规律,反馈系数、放大器静态放大系数、电液伺服机构增益、滑阀流量增益等参数对系统动态特性的影响更为明显。该模型为固体火箭发动机电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的调整提供理论依据。