二元细长喷管中不可压缩势流的计算机辅助渐近展开方法

在作者过去提出的用渐近展开式求细长喷管内流场的方法的基础上,对于二元细长喷管中的不可压缩势流,本文提出了利用计算机进行这种渐近展开的办法,以求得较多的展开项。方法的要点是将渐近展开关系表示为递推形式,以便有效地利用计算机进行相应的公式演算。为了避免舍入误差,所有的的理数都精确地用其分子和分母部分的整数表示,并进行相应的运算。出于求到了较多的项,其结果也将适用于喷管几何形状并不十分细长的情况。     

任意截面细长弯曲管道内的可压缩势流解

利用摄动法给出了任意截面细长弯曲管道内的可压缩定常势流的解。引入了一个表示管道细长程度的小参数ε,并将流场的解对小参数进行渐近展开。文中给出了对密度和轴向速度具有两项展开式、对横向速度具有一项展开式的结果。理论分析表明,在细长管道的情况下,问题的解可降低一维。同时,在上述近似条件下,求横向速度分量相当于求解一个平面Laplace方程的Neumann边值问题。     

轴对称及二元喷管RCS的数值模拟

利用物理光学迭代法独立设计程序,采用前后向算法并结合欠松弛因子加速收敛,提高运算效率.通过计算简单标准模型的雷达散射截面(RCS)验证了程序的可靠性.在此基础上,对两种不同宽高比二元喷管简化模型及轴对称喷管简化模型的RCS进行了计算并加以分析比较.结果表明,程序具有较好的计算精度和通用性,在较大范围的姿态角内,二元喷管简化模型的RCS高于轴对称喷管简化模型的RCS.      

轴对称短化喷管型面设计及流动分析

对最短长度喷管（MLN）设计方法进行了改进和优化，在喷管喉部扩张段实现了光滑过渡，采用特征线方法设计轴对称短化喷管型面，采用高阶，高分辨率WENO格式对设计的喷管进行流场数值模拟，结果表明：短长度喷管和喉部圆弧过渡的短化喷管出口流场均匀，能够达到设计要求，经过圆弧过渡的喷管型面出口流场品质更好。     

轴对称射流矢量喷管的试验和数值模拟

对基于激波来实现推力矢量的轴对称射流矢量喷管的缩比模型进行了测力和测压试验，用推广到可计算可压缩流的SIMPLE方法其内外流场进行了数值模拟，根据试验和数值模拟结果分析了喷管主流与次流相互作用产生的复杂流场结构、二次流流量和落压比对气动矢量角的影响，在落压比3～6范围内，二次流流量和喷管主流比值增大，气动矢量角增大，两者比值相同时，落压比增大，气动矢量角减小。     

定常轴对称超音速喷管和超音速射流的计算

本文叙述轴对称超音速喷管和超音速射流的数值计算。内点用MacCormack有限差分格式,分步加粘性;边界用从特征关系列出的二阶精度格式;喷管口用Prandtl-Meyer流公式;射流边界用一个迭代过程确定。对有激波喷管和无激波喷管做了大量的数值实验,并作了比较和讨论,给出了三个喷管的计算结果。     

一个边界差分格式及其在定常轴对称喷管流动计算中的应用

本文工作进一步研究了作者在[1]中提出的一维迎风格式。此守恒格式在边界上仅需把其落在边界外部部分置零,所得的方程近似于正确的特征关系式和“无反射边界条件”。对定常问题可先用格式计算出边界上的值,然后用给定的边界条件调整,这尤其对隐式格式是很方便的。§1讨论一维情况。§2将边界格式推广到二维定常问题的计算,这时特征关系对应这样的特征面,其法向量在二维空间的投影垂直于边界。为了把方法试用于定常轴对称喷管流,在§3给出控制体积离散方程和与它有关的矩阵性质,内点采用了全隐中心ADI格式;由于此内点格式的稳定性问题和超音区可能产生的斜激波问题,每层加了平滑。对若干喷管使用了正交和非正交格网,试算结果在§3给出,计算是收敛的并得到的近似定常解是合理的,即使在较粗的网格上也是如此。     

轴对称Boltzmann模型方程统一算法与空天飞行环境喷管流动模拟

拦截机动飞行器周围大范围区域存在主喷/侧喷流/羽流影响,而传统的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程不能很好模拟发动机喷管扩张段出口附近流动情况,需要一种新的方法来处理这种全流域流动问题。为解决该问题,针对特定轴对称喷管内流动,本文通过数学推导确立描述不同克努森数稀薄环境条件下的轴对称喷管内流动Boltzmann模型方程,初步建立适于该模型方程的数值格式与气体动理论统一算法。通过开展同轴圆筒间的定常/非定常旋转流动以及轴对称喷管内流动数值计算研究,发现统一算法计算流场与其他途径得到的结果吻合较好,验证了统一算法在全局克努森数喷管流动模拟的适应性和可靠性。通过与低密度风洞实验对比,喷管出口核心区羽流结构一致,羽流轴线压力分布一致,表明统一算法可以有效解决喷管入口压缩段到扩张段多流域混合,尤其是出口附近稀薄气体真空低压环境流动问题。     

推力换向和二元喷管技术的发展

提出了未来战斗机推力换向的几种方案和可能采用的几种二元喷管形式。     

不可压缩势流绕多段翼型流动的快速迭代解法

利用保角变换计算不可压缩势流绕翼型的流动,具有计算速度快和要求计算机内存小的优点,但主要用于单段翼型问题,而对于多段翼型,尤其是三段和三段以上的翼型则很难应用。本文在单段翼型的保角变换的基础上,提出了一种利用迭代算法计算任意多段翼型的不可压缩势流的绕流问题的方法。本文方法和目前常用的边界元法相比,具有计算速度快的优点。本方法还可进一步推广到考虑无粘流/边界层的迭代计算中。     

二元双喉道射流推力矢量喷管流动参数影响的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同流动参数对二元双喉道射流推力矢量喷管(Dual-throat fluidic Thrust-vectoring Nozzle,DTN)内流特性和推力矢量控制效果的影响。结果表明,DTN在非推力矢量情况下,NPR在3~4范围时,推力系数较大,达到0.968,而流量系数较小,仅为0.93;NPR再增大,推力系数迅速下降。在推力矢量情况下,落压比一定时,随着次流流量比的增加,推力矢量角增加,而流量系数、推力系数、推力矢量效率减小;次流流量比一定时,随着落压比的增加,推力矢量角减小,系统推力系数先增加后减小,流量系数略微增加。     

遮挡板参数对二元喷管气动和红外辐射影响

采用计算流体力学/红外辐射强度数值计算的方法,以宽高比3.33二元收敛喷管为研究对象,计算分析了二元喷管加双层遮挡板结构对喷管气动和红外辐射影响.结果表明:二元喷管加遮挡板后,总压恢复系数系数和推力系数并未降低,在98.81％和95.15％以上;单层遮挡结构的二元喷管在绝大多数角度都比基准二元喷管高,且增加的幅度较大;与基准二元喷管相比较,双层遮挡板结构的喷管在-90°至-10°探测方向上红外辐射强度降低38％-80％,但是由于上遮挡板的存在,喷管上方(30°-90°)的红外辐射增强;遮挡间距增加,引射气流流量增加,上、下遮挡板红外辐射减小,当遮挡间距增加到35mm时,上遮挡板的红外辐射峰值降低到800W/Sr,下遮挡板红外辐射强度仅为4W/Sr左右.这说明了双层遮挡结构的二元喷管(喷口后延)在某些方向上有较强的红外抑制效果.     

塞锥形状和偏转角对轴对称塞式喷管气动性能的影响

塞式喷管是1种具有质量轻、红外隐身效果好等优点的典型喷管.为分析矢量偏转角和塞锥的几何参数对涡扇发动机轴对称塞式矢量喷管排气系统气动特性的影响,采用CFD方法进行了数值模拟研究.结果表明:尾喷流随喷管偏转而有效偏转,推力系数随矢量偏转而减小,在高空状态下较为严重.在地面状态下偏转20°时的推力系数较无矢量偏转时减小了1.2％,在高空状态下偏转20°时的推力系数减小了2.5％;塞锥前体的导圆半径变化没有使气流分离,对气动性能影响不大;塞锥后体长度增加使喷管内部压力提升,塞锥尾缘低压区缩小.     

绕任意轴旋转的管道流动和换热特性研究

当管道绕任意轴旋转时，管道内的轴向速度分布发生改变，截面上产生二次流动，管道的对流换热特性将引起变化。本文对绕任意轴旋转的管道流动与换热进行了数值模拟，研究结果表明：绕任意轴旋转管道内的对流换热特性主要由Re（雷诺数），Ro(Rossby数），Pr（普朗特数）数，和α（旋转轴与管道轴线的夹角）四个参数决定。文中分析了在不同情况下流场结构与摩擦系数比以及温度场与管道Nu数比率随Re数和Ro数的变化规律，为工程实际应用提供了理论依据。     

球面收敛二元喷管出口三角形锯齿对气动和红外特性的影响

通过数值计算研究,分析了喷管出口锯齿修型对涡扇发动机排气系统球面收敛二元喷管气动及红外特性的影响.结果表明:相对于基准喷管,喷口锯齿修型均造成排气系统推力系数和总压恢复系数的下降,且齿底角越大,推力系数的损失越大.比较而言,内缩型锯齿修型方式对排气系统气动性能的影响最小,但导致排气喷流和总体红外辐射强度在±15°探测角附近的较大增强;外伸型锯齿修型对排气系统气动性能的影响最大;30°齿底角的等面型锯齿修型综合性能较优,对推力系数和总压恢复系数的影响微弱,同时在-30°~0°,0°~30°的探测视角内体现出一定的红外辐射抑制作用.      

单缝和双缝射流注入对二元喷管推力矢量的影响

利用RNGk-ε湍流模型,求解二维N-S方程对开缝注入射流后的二元收敛-扩散喷管全流场进行了数值模拟,比较了单缝和双缝射流对喷管推力矢量的影响。研究表明:在固定射流总流量的前提下,较好的双缝射流方案在小落压比状态下得到的矢量效率要优于单缝射流方案;而在大落压比下单缝和双缝射流方案得到的矢量效率和推力系数基本相同;前后射流流量的分配对喷管矢量性能有着适度的影响,当将较多的流量分配在扩散段后缝处时,喷管可以获得更多的推力矢量。     

引气结构对二元塞式喷管冷却和红外辐射特性的影响

为降低加力状态下二元塞锥表面温度和喷管红外辐射强度,对塞锥进行冷却结构设计。采用数值模拟的方法对比分析了引气结构、冷却通道高度和冷气入口总压比对塞锥冷却和喷管红外辐射特性的影响。结果表明：塞锥冷却后其表面温度和喷管红外辐射强度显著降低;引气腔内无冲击板时,引气角度的改变引起射流核心区位置的变化,造成塞锥头部和前缘展向温度分布差异明显,引气角度为90°时塞锥表面最高温度要比30°和60°的模型高50K;加装冲击板后,冷却通道内的流量分配和塞锥前缘的展向温度分布得到有效改善、塞锥头部的换热得以增强,但同时会引起较大的总压损失,因此相同入口总压比下,加装冲击板后冷却流量降低、塞锥外表面温度升高;随着冷却通道高度增大,冷气流量增加、流速降低,故存在一个最佳通道高度使得塞锥冷却效果最好;以塞锥无冷却为基准,入口总压比为1.0～1.8时,塞锥外表面最高温度降低了470～590K,0°探测角上红外辐射强度降低了25%～33%。