变循环发动机对飞机飞行性能影响研究

将飞机气动特性、发动机性能以及进/排气系统安装损失等模块集成为飞机/发动机一体化计算模型。对比分析了带CDFS的双外涵变循环发动机(CDFS VCE)、带FLADE的双外涵变循环发动机(FLADE VCE),以及同时带FLADE和CDFS的三外涵变循环发动机(ACE)和混排涡扇发动机(MFTF)装于不加力超声速巡航战斗机的飞行性能。结果表明,相比于MFTF,安装VCE后,飞机的起飞重量减少3%～4%,且FLADE VCE的性能最佳,ACE次之,CDFS VCE再次之。在亚声速巡航状态,VCE进/排气系统的安装阻力较MFTF显著降低,安装耗油率降低2%～3%;在超声速巡航或超声速盘旋阶段,VCE的性能优势不甚明显。     

辅助动力舱冷却用排气引射器性能快速评估方法

在飞机辅助动力装置系统研制过程中，只能通过试验和计算流体力学（CFD）仿真方法对排气引射器的引射性能进行评估，且评估效率低、研制成本高，故无法获得任意工况下排气引射器的引射性能。本文提出用速度系数比β参数来描述排气引射器的引射性能，并建立了辅助动力舱冷却用排气引射器性能快速评估方法，通过CFD仿真分析对该方法的合理性和准确性进行了验证，验证结果表明，该方法可以快速、准确地评估各种地面工况下排气引射器的主流出口静压和总压、次流流量、次流出口总压等参数，且计算精度保持在2.382%以内，满足工程使用要求，大大提高了评估效率，具有较高工程应用价值。     

超声速进气道进发匹配安装性能快速计算方法

为了研究超声速进气道与发动机的匹配特性,改善推进系统的安装性能,结合准一维进气道流场计算方法和基于部件法的发动机总体性能仿真模型,发展了一种考虑进发匹配的超声速进气系统安装性能快速计算方法。该方法能够计算不同飞行条件和不同进气道工况下,超声速进气系统的性能和安装阻力。利用文献中的数据对本文的模型进行了校核,并以两斜一正外压式进气道为例,研究了亚声速飞行时的附加阻力和进气道的调节方法。与文献中数据对比表明,进气道总压恢复和流量系数误差小于1.4%,发动机安装推力计算结果误差小于9%。超声速进气道在亚声速巡航状态下由于发动机节流带来较大的附加阻力,而进气道调节可降低高马赫数下的溢流阻力并增加进气道的稳定裕度。     

利用ENSAAP程序计算喷管超音段壁面排气引射冷却系统性能与分析

在基线发动机性能计算的基础上,利用引射喷管抽吸特性和二次流进气系统的流量平衡技术,研究并提出了一种多缝引射喷管方案,用于降低喷管超音段壁面的温度,并开发出多缝引射喷管尺寸与分析程序ENSAAP。利用该计算程序,可分别计算设计条件下和非设计条件下的冷却空气流量和安装多缝引射喷管后所造成的安装推力损失,以及安装多缝引射喷管对发动机重量和飞机航程的影响。本项研究为发展具有低可探测性的先进发动机排气系统提供了可行的冷却方案和设计基础。      

带第三流路辅助进气的引射喷管流动特性研究

为避免低落压比条件下引射喷管内气流过膨胀,本文研究了第三流路辅助进气门开启状态下引射喷管的内流特性,分析了飞行马赫数为0,主喷管落压比为2.1,次流流动状态分别为回流和顺流对引射喷管流动特性的影响规律,并获得了不同辅助进气门开度下次流通道的最小顺流压比。结果表明：当次流为回流状态时,逐渐增加辅助进气门开度,主流过膨胀程度逐渐降低,第三流路流量的增加使剪切层内动量传递效率提高,引射喷管的推力系数从0.60提升至0.73;当次流为顺流状态时,随着辅助进气门开度的增加,次流流量减少,主流过膨胀程度逐渐增大,第三流路流量的增加使剪切层内动量传递效率降低,推力系数则从0.97下降至0.75。次流为顺流状态时引射喷管的推力系数整体高于次流为回流状态,因此当次流处于顺流状态时引射喷管取得更优的推力性能。但在低马赫数状态下,次流流动极有可能出现倒流,此时适当增加辅助进气门的开度有益于改善推力性能。随着辅助进气门开度逐渐增大,次流的最小顺流压比呈逐渐上升趋势。     

双外涵变循环发动机可变几何特性研究

建立了双外涵变循环发动机(VCE)总体性能数学模型,实现了变循环发动机与进气道进口流量匹配、双参数控制规律、可变几何部件性能模拟。依据单/双涵道模式、最大推力/最小耗油率模式、是/否开加力选取了起飞、亚声速巡航、超声速巡航、加速爬升4个典型航段,分析了变循环发动机10个几何可调节变量在不同飞行条件下的控制规律及其对发动机安装性能和稳定性的影响。结果表明,相比于几何不可调节变循环发动机,几何可调节的变循环发动机在亚声速和超声速巡航阶段的安装耗油率可分别降低3%和30%,加速爬升阶段的安装推力可增加42%,并且保证发动机均能具有足够的喘振裕度。     

单外涵变循环发动机变几何特性仿真

为了研究单外涵变循环发动机变几何性能收益,建立了一种单外涵变循环发动机总体性能仿真模型,并通过算例验证了仿真模型的计算精度。根据不同飞行状态的发动机控制规律和最优控制目标,模拟生成3种变几何方案最佳变几何参数以及最佳节流特性和高度-速度特性。结果表明：在设定的控制规律下,相对发动机常规变几何方案（方案1）,尾喷管、混合器与低压涡轮导向器可调的变几何方案（方案3）使发动机地面节流状态耗油率降低1.7%～3.0%,超声速巡航推力增大14%～29%,亚声速巡航耗油率降低0.9%～3.1%,在3种变几何方案中性能收益最大;尾喷管与混合器可调的变几何方案（方案2）使发动机地面节流状态耗油率降低1.2%～2.2%,超声速巡航推力增大3%～17%,亚声速巡航耗油率降低0.9%～1.2%,在3种变几何方案中性能收益居中。发动机变几何方案的选择应综合考虑结构复杂度、可靠性、质量等方面的代价与基于特定任务需求的总体性能收益的平衡。     

基于安装性能的航空发动机中间状态喷管调节计划优化

以Matlab为平台,结合MS-DOS命令和计算流体动力学（CFD）软件操作日志,成功实现将发动机零维总体性能计算程序和二维喷管内外流场CFD软件结合的数值缩放技术.为优化飞机推进系统巡航状态性能,耦合飞机后体阻力优化航空发动机喷管喉道面积、喷管出口面积的调节计划.计算结果表明:在保持发动机稳定裕度的前提下,如仅优化喷管出口面积,在大马赫数飞行状态时安装推力提高超过1%.      

超声速自引射装置的工作过程研究

应用湍流κ-ε双方程模型,分析了液体火箭发动机自引射工作过程所用的超声速自引射装置(简称引射器,包括圆柱型和二次喉道型引射器)在相同二次流入口面积时的流场分布,依据流场分析值确定了激波在引射器内的位置,结果表明喷管内的气流达到满流状态,并根据有关参数计算了引射系数.对比引射器真空舱内压力仿真值和试车测量值,两者基本一致.      

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%。     

引射喷管流量及推力特性数值研究

设计了多个引射喷管方案对引射喷管的流量和推力特性进行了研究。采用数值模拟手段对这些方案进行了多状态的性能计算,详细总结各方案在不同状态下的性能特点及规律,并从理论角度对引起其变化规律的原因进行了详细分析。研究结果表明外管道出口几何尺寸对引射喷管性能影响规律是随主喷管落压比的不同而不同的。     

二元波瓣喷管排气引射系统的试验研究

通过７种二元波瓣喷管排气引射系统的对比试验,研究了二元波瓣喷管的波瓣结构形状、排列方式和间距等参数对排气引射系统气动性能的影响。试验结果表明：错列二元波瓣喷管引射性能和强化混合性能比对列的好,但其压力损失系数比对列的大;波瓣内外间距相同的二元波瓣喷管比波瓣内间距为外间距两倍的气动性能好;波瓣切口错列的二元波瓣喷管的引射性能和强化混合性能最好,但其压力损失系数也最大。在各组合方案中,波瓣间距相同对列的二元波瓣喷管与带有多套环结构的混合管组成的排气引射系统综合气动性能最好     

基于二次流喷射的并联式TBCC排气系统性能提升技术研究

基于CFD数值模拟方法,分析了并联式涡轮基组合循环发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)排气系统的内外流场特性,提出了在涡轮喷管下壁面处喷入高压二次流以提升排气系统性能的方式,研究了不同飞行状态下二次流喷射对排气系统性能(推力系数、推力矢量角)的影响规律。计算结果表明:二次流喷射会产生弓形激波,与喷管上膨胀壁面附面层作用产生新的分离区,提升涡轮喷管和冲压喷管内的整体压力,从而改善并联式TBCC排气系统的推力及推力矢量性能,且对亚声速和跨声速飞行状态下的并联式TBCC排气系统性能改善比较明显,可使轴向推力系数最大提升7.34%,推力矢量角提升12.76°。     

变循环发动机对战斗机任务性能影响计算研究

为了研究战斗机任务性能模型的可行性,以战斗机为研究对象,假设其安装变循环发动机,以F-22战斗机机内燃油和带副油箱的任务性能为标准结果,考虑全部的飞行过程,对所建立的模型进行可行性验证。结果表明:计算得到的F-22战斗机内燃油和带副油箱任务性能与文献中的标准结果十分接近,误差分别为0.76%和0.24%;假设的变循环发动机使得加速及超声速飞行等涡喷模式的耗油率降低20%,亚声速巡航航段涡扇模式的耗油率降低25%,变循环发动机能够使战斗机的转场航程增加27.2%,亚声速截击任务剖面的作战半径增加29.1%。本算法具有一定的准确性,可信度较高。     

1 种自适应循环发动机亚声速巡航节流性能研究

推进系统亚声速巡航的燃油经济性是决定战斗机作战半径的主要指标。在巡航过程中会因减少发动机推力带来进气道溢流量增加,使推进系统燃油经济性降低。自适应循环发动机如何利用自身变循环特征减小进气道溢流进而提高推进系统燃油经济性是解决这一问题的关键。研究了1种在亚声速巡航状态带可变风扇系统的自适应循环发动机,利用自身变循环特征,实现等流量降低推力的方法。通过对可变几何机构组合调节的研究,获取了等流量节流方案,并分析了发动机在这一过程中的性能和匹配情况。结果表明:这种带可变风扇系统的自适应循环发动机能够在一定推力范围内实现等流量节流,减少进气道溢流量,提升推进系统在亚声速巡航状态的燃油经济性。     

大型民机翼型变弯度气动特性分析与优化设计

为了提高飞机巡航过程中升力系数、马赫数变化后的气动效率,大型民用运输机开始采用机翼变弯度技术。以典型远程宽体客机翼型为例,研究了翼型后缘变弯度对气动性能与压力分布的影响。利用代理模型建立了不同巡航设计工况下,翼型后缘弯度与气动性能的关系。以此为基础,提出了基于代理模型的大型民机翼型变弯度设计优化方法。算例研究表明,在给定巡航升力系数与马赫数下,该方法可以预测出翼型的最佳弯度,从而改善非设计点气动性能。该方法对大型民机机翼变弯度构型设计工作有一定的工程意义。     

基于多可信度代理模型的尾喷管优化设计

尾喷管是飞行器机体/推进一体化设计中的关键部件之一,直接影响着飞行器的推阻匹配、俯仰力矩配平等特性。为了提高尾喷管优化设计效率,建立基于多可信度代理模型的多目标优化模型。以基于粗网格、无黏模型的CFD 结果作为低可信度数据,以基于细密网格、SST k-ω 湍流模型的CFD 结果作为高可信度数据,将最大化推力系数、升力系数和俯仰力矩系数作为优化目标,构建Cokriging 模型,并结合NSGA-Ⅱ算法得到Pareto 解集。结果表明：以上三个目标分别提升了2.94%、13.0% 和40.6%,误差低于0.5%,并进行了敏感性分析;优化后流场波系结构更为复杂,改变了壁面压强分布规律;与Kriging 模型相比,Cokriging 模型具有相当的预测性能,构建时间成本节省了62%。     

二次流对带间隔式进气门引射喷管流场的影响

通过仿真研究了跨声速飞行状态下（Ma=1.2）一种带间隔式进气门的引射喷管流动特性,获得了二次流对三次流流动状态、喷管流动结构以及推力性能的影响规律。结果表明：带有间隔式辅助进气门的引射喷管内部存在显著的横向流动,诱导产生了多对流向涡结构,沿着流动方向流向涡的尺度逐渐减小。主流始终处于过膨胀状态,主导了引射喷管的内流流动,并和二次流之间形成了一道剪切层结构。随着二次流落压比的升高,二次流和三次流流量增加,其对主流的束缚作用增强,主流过膨胀现象得到有效抑制,推力性能从0.698增加至0.819。     

变循环发动机稳态控制规律设计的新方法

变循环发动机(VCE)具有较多的可调参数,为了进行变循环发动机的多变量稳态控制规律优化设计,提出了用于变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种新方法-逆算法。该方法基于敏感性系数矩阵,采用可调参数替换传统部件级性能计算模型中的独立变量,在给定变循环发动机主要状态参数和部件参数的条件下,实现了可调参数的求解,进一步完成发动机稳态控制规律的优化设计。对比表明,逆算法的计算精度和收敛速度与传统算法一致,收敛性得到了改善。对带有核心机驱动风扇(CDFS)的双外涵变循环发动机亚声速巡航的节流状态控制规律优化后,使得巡航推力下的安装耗油率比定几何的双外涵和单外涵发动机分别下降7.8%和16.4%,而地面安装耗油率最大降低约3.4%。结果表明,逆算法是变循环发动机稳态控制规律优化设计的一种有效途径。     

小突片强化混合研究

测试了亚声速 （Ｍａ＝ ０．３５） 下小突片 （Ｔａｂｓ） 对轴对称收缩喷管射流的强化混合效果, 并探讨了小突片安装个数、后倾角度、堵塞比等因素对强化混合作用的影响。结果表明, 小突片对喷管射流的混合具有显著的强化作用, 不仅使下游流场发生显著变形, 使核心流的衰减显著加快（核心流长度从５Ｄ 降至大约１．５Ｄ）, 还使引射系数显著增加（本文中最大增加到２．７ 倍）。