吸气式高超声速飞行器三维后体尾喷管优化设计

三维后体尾喷管是吸气式高超声速飞行器产生推力、升力的关键部件,需要精细设计,最大限度地提升三维膨胀过程中的气动特性。本文在二维后体尾喷管优化设计的基础上,发展了一种三维后体尾喷管的优化设计方法。通过参数化建模、三维喷管计算网格自动生成、空间推进CFD解算器及NSGA-II多目标优化软件等技术手段,对后体尾喷管三维构型进行了多目标优化设计。优化后的三维后体尾喷管与原始喷管相比,推力和升力都得到了较大提升。     

高超声速飞行器后体/尾喷管一体化设计

采用实数编码、小生境技术、稳态复制策略、多目标定级排序技术,改进了标准遗传算法,建立了多目标遗传算法,并将其应用于高超声速飞行器后体/尾喷管的一体化设计,以尾喷管的推力、升力和附加俯仰力矩系数为性能目标,得到了优化问题的Pareto最优前沿面,优化结果显示了设计变量与性能目标之间的关系,并提出了建议的外形方案。该优化算法可进一步推广应用于包含更加精确的流动模型的优化设计当中。     

超燃冲压发动机可调尾喷管多目标优化设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于试验设计方法和代理模型的可调尾喷管多目标优化设计方法,获得了尾喷管结构随马赫数和攻角变化的调节规律.以推力系数、升力系数和力矩系数为优化目标,以三次型线尾喷管为对象,采用遗传算法优化设计,得到Pareto最优解集;以一组Pareto最优解为基准在不同马赫数和攻角下进行尾喷管变结构设计优化,拟合得到尾喷管结构随马赫数和攻角的变化曲线.仿真结果显示了理论分析的正确性,并发现:变结构设计实现了尾喷管大范围高性能工作;尾喷管性能和几何参数,飞行状态参数均高度非线性,任一个改变都会影响其性能;采用试验设计方法和代理模型,能大大缩小优化设计时间,简化设计过程.     

单边膨胀尾喷管下壁面型线优化设计及实验研究

基于Isight优化平台,将多目标遗传算法与CFD计算相结合,针对超燃冲压发动机非对称尾喷管冷/热态俯仰力矩差较大的问题,对下壁面为三次曲线的尾喷管构型进行多目标优化,分析了初始膨胀角和尾缘角的相互耦合及其对喷管性能影响所占比重。结果表明,设计区间内,下壁面三次曲线构型在保持较高推力特性的前提下,可以大范围调整喷管俯仰力矩,显著改善喷管冷/热态俯仰力矩差较大的问题。在此基础上,选取优化所得点进行冷流缩比风洞实验,根据实验条件进行了相应的数值模拟,对比发现数值模拟与实验结果吻合很好,验证了该优化设计方法及结果的有效性和可靠性。     

高超声速飞行器后体喷管设计

为得到二维高超声速飞行器后体喷管优化型面, 建立了基于N-S方程的二维后体喷管设计模型, 分别对内部喷管长度和上壁型面进行设计, 得到了后体喷管优化设计外形, 并将结果与Edwards提供的基准进行比较, 表明改进了后体喷管的推进性能.      

尾喷管构型对多循环两相脉冲爆轰发动机流场及性能影响

为了研究尾喷管构型对多循环工况下非定常气液两相脉冲爆轰发动机推进性能的影响,运用适应能力强的非结构网格CE/SE(时空守恒元和求解元)方法数值研究了带尾喷管脉冲爆轰发动机的内外流场.结果表明:尾喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响在单次循环和多循环工况下有显著差异;当燃料填充率为1、环境压力为0.1MPa时,完成一个周期各种构型尾喷管产生的平均推力由大到小依次为拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管、收敛喷管、无喷管、直喷管;研究中塞式收敛扩张喷管可以提供最大的冲量和燃料比冲,但完成单个循环的周期最长.      

考虑气体-颗粒两相流效应的火箭发动机喷管参数优化设计

火箭发动机喷管内型面设计是喷管设计中的重要研究课题,是提高喷管效率的关键.采用基于遗传算法的直接优化设计方法对决定喷管内型面的关键参数进行优化,以减少喷管的比冲损失,提高发动机性能.比冲损失的大小通过喷管两相流计算获得,设计了相应的软件自动完成常见喷管的喷管型面优化设计,对现有型号喷管进行优化的计算结果表明,喷管的相对比冲损失可以显著减小.     

二元保形非对称膨胀喷管流场特性

利用数值模拟方法对一种与无人飞行器后体一体化设计的二元保形大宽高比非对称膨胀喷管在地面状态的流场特性进行了研究,获得了尾喷管推力性能和三维流动特征随落压比的变化趋势.结果表明:虽然二元保形非对称膨胀喷管沿横向存在非等强度膨胀,但在研究范围内最佳落压比仍主要取决于上方短膨胀面结束位置面积与喉道面积之比;沿横向不等强度膨胀...     

脉冲爆震发动机尾喷管的实验

选取3类10种有代表性的脉冲爆震发动机尾喷管进行了试验.研究结果表明, 各种喷管对性能均有提高;对每类喷管均存在一最佳面积比, 使推力增益最大;在受试的尾喷管中, 收敛-扩张喷管增益最大, 达24%;填充系数对喷管性能增益影响甚微.      

喷管与机后体一体化设计初探

航空燃气涡轮发动机尾喷管在装机时发生了诸如气动、燃烧、冷却和结构等一系列问题。为此,进行了气动热力分析和结构可行性分析;借助喷管与机后体一体化设计技术,进行了新的流路设计、内流和外流冷却系统设计,改进了快卸环设计和多项结构设计,并进行了试验验证,最终取得了良好的装机效果,获得了使用部门的好评。     

高超声速飞行器后体喷管三维构型设计

为研究高超声速飞行器后体喷管三维构型的设计,以NASA半壁喷管试验为参考,进行了二维及三维内外流相互作用的数值模拟计算,分析了后体喷管三维流场的特点.从高超声速飞行器机身推进一体化的角度,构建了后体喷管三维构型,进行了不同构型设计对后体喷管性能影响的参数研究.结果表明:后体喷管的三维效应不可忽视,后体喷管侧壁的存在及下壁面长度对性能影响较大.      

Improvement of the SERN nozzle performance by aerodynamic flap design

As continuation of the former study [P. Gruhn et al., Aerospace Science and Technology 4 (2000) 555–565], we examine the flow at a SERN nozzle for a future hypersonic cruise vehicle with help of a nozzle/afterbody wind tunnel model. Main focus is on the flow at the nozzle flap and the separation of the boundary layer at the flap cowl. The location of this separation is determined for different nozzle pressure ratios and different Reynolds numbers. An empirical criterion to predict the separation point at the flap cowl of the nozzle/afterbody model is established.Based on the experiments and recent studies, a geometry for the nozzle flap of the reference configuration ELAC of the Collaborative Research Center 253 of the Aachen University of Technology is suggested. Numerical studies result in an improved axial thrust going along with an improved thrust vector angle for this new flap in the whole examined Mach range between 1.23 and 7. The improvements of up to 11 percent in axial thrust coefficient and up to 15° in thrust vector angle at low Mach numbers exceed the progresses made for the nozzle of the nozzle/afterbody model in the former study.     

喷流落压比对高超飞行器尾喷管内外流干扰的实验

为了研究吸气式高超声速飞行器尾喷流对飞行器尾部区域气动性能的影响,在中国空气动力研究与发展中心05m高超声速风洞中,在来流马赫数为50和60条件下,开展了不同落压比条件下的尾喷流干扰测压实验研究,同时采用高清纹影观测了喷流干扰区域的流场结构。实验结果表明:不同喷流落压比时,飞行器尾部区域表面压力分布差别明显,高落压比时喷流干扰作用的区域更大,压强数值更高。纹影也显示高落压比时交叉干扰激波更强、剪切层扩张更明显。喷流干扰区域已影响到了飞行器水平翼区域的压力分布,将会对飞行器操纵特性产生影响。      

超燃冲压发动机/机体一体化优化设计

构建了包括前体/进气道、燃烧室、尾喷管/后体的一体化性能计算程序和优化设计平台,对性能计算程序的适用性进行了验证.进行了燃料为氢的超燃冲压发动机/机体一体化优化设计,对优化设计得到的超燃冲压发动机/机体一体化构型进行了二维数值模拟.计算结果表明:氢燃料超燃冲压发动机/机体一体化性能计算程序准确性较好,优化结果具有较高可...     

高超声速弹性飞行器后体/外喷管建模与分析

考虑到全尺寸吸气式高超声速飞行器的机体弹性弯曲振动极易被激发,提出了一种包含机体弹性弯曲影响的外喷管建模和分析方法.该方法首先用虚拟激波膨胀波法确定剪切层的位置,然后用影响系数法求解外喷管中的准一维流,并用活塞理论修正后体下表面的压力.用该方法对一个全尺寸吸气式高超声速飞行器的后体/外喷管进行了仿真分析,结果表明,仅考虑低频、小振幅的后体弹性弯曲运动对外喷管性能的影响并不显著.     

Theories and methods for designing hypersonic high-enthalpy flow nozzles

Hypersonic high-enthalpy wind tunnels have been a challenge to ground tests in aerospace research area for decades and its test flow uniformity is one of the most important parameters for evaluating wind tunnel performances. Regarding to the performance requirement, theories and methods for designing hypersonic flow nozzles at high enthalpy conditions are quite difficult, but very interesting topics, especially when air molecule dissociations take place in wind tunnel test gas reservoirs. In thi...     

Flap contour optimization for highly integrated SERN nozzles

The performance of a Single Expansion Ramp Nozzle (SERN) for hypersonic cruise vehicles is examined with focus on the flow at the nozzle flap and the corresponding separation of the boundary layer. Two wind tunnel models are used to analyze the interaction of the free stream and the nozzle flow and the flow at the flap in detail. A finite element flow code is employed to support the design of the flap model and the analysis of the flow.Comparative contour studies show that the size and the location of the separation at the flap cowl and therefore the aerodynamic quality can be influenced by optimizing the flap cowl contour. The position of the separation is measured for different contours and varying Reynolds numbers at laminar, transitional and turbulent flow conditions. Numerical studies of a nozzle/afterbody configuration suggest an improvement of up to 3.5% in axial thrust for optimized flap contours in the examined Mach range between 1.64 and 6. At the same time the rotation of the thrust vector is reduced by up to 5° at lower Mach numbers.