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.     

下腹板长度对单边膨胀喷管性能的影响

在落压比为4~60范围内,对两个不同下腹板长度的单边膨胀喷管模型进行了试验研究,得到了其壁面静压分布,并对4种不同下腹板长度的喷管模型进行了数值模拟研究,获得了总体性能参数.结果表明:在整个落压比范围内,喷管流动都呈现很强的三维特征,而且在高落压比条件下上膨胀面两侧边气流出现了横向分离.喷管轴向推力系数峰值随下腹板长度增大而增加,峰值对应的落压比也逐渐增大并趋近设计点.在落压比为30~80范围内,轴向推力系数随着下腹板长度增大而增加,在设计点轴向推力系数的最大值和最小值相差约1.8%;在特定低落压比条件下,较短下腹板长度的喷管具有高的轴向推力系数.气流矢量角随下腹板长度增加而增大,在设计点最大值和最小值分别为6.03°和-1.83°.      

喷管气动参数对推力矢量影响的数值模拟

以二元收扩喷管为对象,开展了基于二次流喷射的流体推力矢量技术研究。基于CFD技术,分析了激波矢量控制技术实现推力矢量的机理。重点分析了喷管落压比NPR,二次流总压比SPR,自由流马赫数Ma∞对流体推力矢量性能的影响。数值模拟结果表明:推力矢量的大小与斜激波的位置、角度以及流动分离区的大小有关。在所计算的参数范围内,推力矢量随喷管主次流的变化规律是:推力矢量角随NPR的增大逐渐减小;随SPR的增加,推力矢量角单调增加;在大落压比时,自由流马赫数对推力矢量的影响是有限的,而在低落压比时,自由流马赫数增加,推力矢量角减小。     

激波控制矢量喷管流动与工作特性研究

利用数值模拟方法,研究了激波控制矢量喷管的流场结构与工作特性,分析了射流流量、外流马赫数及落压比对喷管流动和性能的影响。结果表明:随着射流流量的增大,射流对主流产生的阻碍作用增大,使得注气缝上游的高压分离区增大,上、下壁面压差增大,矢量角增大;但射流流量过大时,激波会影响下壁面的压力分布,使喷管推力矢量性能降低。外流马赫数增加使喷管出口附近及上壁面注气缝下游壁面的压力降低,因此上、下壁面的压差减小,喷管的推力矢量性能降低。随着落压比的增大,注气缝上游的分离激波位置后移,注气缝下游分离区内的相对压力降低,使上、下壁面的压差减小;另外,喷管工作状态从过膨胀状态向欠膨胀状态转变时,压差产生的推力增大,喷管的推力矢量性能降低。     

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%.      

收敛型引射喷管/后体风洞试验研究

本试验在600mm×600mm跨超音速风洞里进行。从图1看出,高压空气通过空心支架进入高压室,然行经四个径向音速喷咀膨胀进入低压室。在音速喷咀环,端盖,活动内套之间有一对金属波纹管来密封。从低压室来的空气分成两股流:主流经四个空心整流支板的扇形空间;次流经限流喷咀穿过支板内部翼型通道,进入环形次流腔,最后和主流汇合喷出。     

射流分配对喉道气动偏转矢量喷管的影响

采用基于雷诺平均的二维N-S方程和RNGk-ε湍流模型对二元喷管喉道气动偏转矢量控制时的流场进行了数值模拟,计算结果表明在小扩张比、短扩散段喷管上,在喉道气动偏转矢量控制方案下主流可以实现亚声速偏转。在此基础上数值分析了喉部和扩散段射流流量的分配对喷管流场的影响,研究表明要获得更大的推力矢量角,应该将更多的流量分配在扩散段射流缝处,经过计算得到较佳的扩散段射流流量和喉部射流流量分配比例大约为3∶1。     

分开排气系统的1种设计方法及其性能研究

针对大涵道比涡扇发动机,开展了其排气系统气动型面参数化设计方法和气动性能的研究。通过控制外涵、内涵喷管流道的中心线形状和流通面积,设计了外涵、内涵分开排气喷管气动型面。采用数值模拟的方法模拟了喷管的流场结构,并分析了外涵落压比和自由流马赫数对喷管推力系数的影响。在自由流马赫数为0.050时,推力系数随外涵落压比的增大而增大,在自由流马赫数为0.785时,推力系数随外涵落压比的增大而减小;在外涵落压比相同时,自由流马赫数越大,核心机舱外罩b段与尾锥b段所受轴向力在喷管总推力中所占比例越大,对喷管推力系数的影响也增大。     

串联布局飞行器级间冷分离气动特性研究

针对串联布局飞行器级间采用冷分离模式时的气动问题进行了风洞试验,研究典型亚声速、超声速下级间夹角为零时,两级气动特性随级间距离以及迎角的变化规律。结果表明,在所研究的级间距离范围内,两级相互干扰未被隔绝,两级的轴向力系数变化规律与马赫数、级间距离和迎角有关;二级法向力系数犆犖基本不受级间距离影响,而在迎角较大的情况下一级犆犖会随级间距离的增大而增大。     

流路参数对收扩喷管内流特性影响的数值研究

用经冷态缩比模型内流特性试验验证的三维有黏定常程序,对某轴对称收扩喷管进行了收敛调节片长度、喉道圆弧半径、扩张调节片长度和喷管扩张面积比对内流特性影响规律的计算研究.研究结果表明:收敛调节片长度和喉道圆弧半径主要是对收敛半角较大工况的流量系数有一定的影响,可以在确保收敛半角小于45°前提下适当减小收敛调节片长度;扩张调节片长度和喷管扩张面积比主要是对推力系数影响较大,扩张调节片长度和喷管扩张面积比的选择应在确保扩张半角小于16°前提下力争气流完全膨胀.      

二次流喷口形状对激波矢量控制喷管推力矢量特性影响

基于CFD数值模拟技术,考虑变比热比及温度对黏度的影响,针对二次流喷口主要几何参数（二次喷射角度及喷口无量纲展向长度）在不同喷管落压比、二次流压比工况下对激波矢量控制喷管三维流动特性及推力矢量特性进行分析.研究表明:喷射角度增加,二次流喷射前主分离线前移,激波角度增加,在较小的二次流压比下随着喷射角度增加,推力矢量角增大,二次流压比为1.0和1.2时,存在最佳的喷射角度使得推力矢量角最大;喷口无量纲展向长度小于1.0时,喷口前分离涡演变为马蹄涡,并在喷口下游诱导尾涡,二次流压比大于0.6时随喷口无量纲展向长度增大,推力矢量角度增加.      

超燃冲压发动机喷管下唇板可调方案

高超声速飞行器在飞行接力点和巡航结束点受喷管冷、热态膨胀状态不同的影响,会产生较大的冷、热态俯仰力矩差,从而对飞行器姿态控制带来较大困难.针对该问题,研究了下唇板可调方案对降低冷、热态俯仰力矩差的有效性,对不同下唇板角度进行数值模拟,得到了喷管性能参数.结果表明:下唇板旋转6°时,设计马赫数Ma=4.5下冷、热态俯仰力矩差下降29.57%,推力系数减小0.42%.并且进行了下唇板角度可调方案的风洞试验和对应的数值模拟,对比发现数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了所提出的可调方案及数值模拟结果的正确性.      

气体二次喷射SRM推力矢量控制影响因素分析

针对固体火箭发动机气体二次喷射推力矢量控制方案,基于N-S方程和RNGk-ε湍流模型,通过对不同二次喷射工况下的流场进行数值模拟与分析,探索了气体二次喷射位置、喷射流量、喷射角度对推力矢量控制的影响规律。结果表明：喷管二次喷射位置靠近其扩散段中部时,推力矢量控制性能最优,就计算模型而言,侧向力和轴向力之比约达4％;推力矢量控制性能随气体二次喷射流量的增大而提高,但存在临界参数;二次喷射角度对推力矢量控制性能也存在一定影响,但影响效果较弱。的研究结果可为气体二次喷射推力矢量控制系统的研究与设计提供参考。     

超额定状态下二元超声速进气道的流动特性

为了揭示超额定工作状态下超声速进气道内的复杂流动机理,对一设计马赫数为2.0的二元超声速进气道开展了数值模拟研究,获得了其在不同来流马赫数状态、不同节流状态下的流场结构.结果表明:当进气道工作在额定状态时,随着节流程度的增加,其激波串的核心区由偏向下壁面摆至偏向上壁面;而在超额定状态下,由于依次受到唇罩内侧分离包、唇罩激波等的影响,激波串核心区则由偏向上壁面转而摆至偏向下壁面.在来流马赫数为2.5的节流状态下,其唇罩激波与前体斜激波相交形成了马赫杆等复杂波系结构,而来流马赫数为3.0状态却并未形成此类现象.在上述两种超额定工作状态下,前体斜激波的上透射激波均在高反压条件下演化为正激波形态,而唇罩激波的下透射激波形态也发生了明显的改变.      

矢量喷管偏转对发动机推力的影响

建立了轴对称矢量喷管数学模型和带这种矢量喷的发动机数学模型,研究了矢量喷管偏转时引起的发动机推力的变化。研究结果表明：喷管有的效矢量角与几何矢量角近似成正比;喷管偏转角较小时,喷管的流量系数及发动机的总推力几乎不同几何矢量角变化,喷管偏转角较大时,喷管的流量系数及发动机的总推力随和何矢量角的增大三小;发动机的轴向推力随着几何矢量角的增大而减小,发动机的侧向推力随着几何矢量角的增大而增大。     

外流对塞式喷管性能的影响

为了了解外流对塞式喷管性能的影响。本文从N-S方程出发，采用NND格式对塞式喷管有外流的流场进行了数值模拟，重点研究了外流马赫数和外流迎角对塞式喷管的影响，研究表明，在一定飞行高度下，外流会使塞式喷管的性能降低，并且外流为亚声速时对塞式喷管的影响较小，在跨声速和超声速时影响较大；当外流有迎角时，会改变塞式喷管推力矢量，正迎角会使塞式喷管性能得到补偿，负迎角则会降低塞式喷管的性能，随着背压减小，外流对塞式喷管的影响也会减小。     

高超声速内转式进气道型面流场重构

内转式进气道流场参数分布不均，为改善该类进气道的气动性能，本文采用数值仿真方法开展了基于型面的内转式进气道流场重构研究。结果表明：流场重构型面中心线对进气道流场结构及流动特性影响较大，在给定偏距/长度与中心线末端斜率的约束条件下，选取合适的中心线起始角能够大幅提高进气道的气动性能，改善流场参数分布。与进气道原型方案相比，流场重构型面中心线10°起始角的进气道方案总压恢复系数、抗反压能力最大分别提升33.7%、26.4%，自起动马赫数下降1.1。随着流场重构型面中心线起始角增大，唇罩激波/侧壁边界层干扰诱发的流向涡减弱、流向涡传输轨迹向唇罩一侧偏移，低能流向唇罩两侧迁移趋势增强。在研究范围内，随着流场重构型面中心线起始角增大，隔离段出口总压恢复系数先增大后减小，自起动马赫数先下降后不变。     

喷管面积比对推力矢量发动机特性的影响

针对矢量喷管出口面积独立无极可调控制的特点,采用数值仿真分析了偏转状态喷管面积比对矢量特性的影响机理,通过整机地面台架和高空台专项试验,获取了不同喷管面积比下推力性能、偏转推力损失、偏转效率、发动机匹配特性等数据。结果表明：非偏转状态发动机产生最大推力的喷管面积比小于气流完全膨胀对应的理论喷管面积比。发动机偏转推力损失随几何矢量角增加而增大,喷管面积比对偏转推力损失影响较小。地面台架状态相同几何矢量角下,矢量偏转效率随着喷管面积比的增大而降低,当喷管面积比达到一定值时,会出现气流分离使偏转效率进一步降低。在相同几何矢量角下,随着喷管面积比的增大,发动机节流状态转差减小,风扇工作线下移,靠近非偏转状态工作线,风扇裕度增加,工程应用中偏转状态的扩稳措施应考虑与喷管面积比的关联。     

超燃冲压发动机尾喷管进口气流角畸变研究

为探索气流角畸变对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响,本文开展了喷管在单一气流角畸变和耦合畸变进口条件下的数值模拟研究。首先简要介绍采用的数值模拟方法,并根据实验结果校核数值方法的有效性。同时为得到准确的数值结果,进行了网格无关性研究。然后,通过数值模拟获取超燃冲压发动机燃烧室出口气流参数,用于研究气流角畸变对喷管性能的影响并讨论了其影响规律。在此基础上,进一步研究了气流角畸变与马赫数畸变相互耦合对喷管气动性能的影响。结果表明,气流角畸变对推力影响很小：推力系数变化仅为0.37%;但对升力和俯仰力矩影响显著,相应增幅分别可达51.84%和12.11%。此外发现气流角畸变和马赫数畸变对喷管气动性能的影响是相互独立的。因此在超燃冲压发动机喷管的相关研究过程中,有必要对气流角畸变加以考虑。另外还需要关注由于气流角畸变导致的喷管升力和俯仰力矩变化对飞行器整体稳定性的影响。     

推力矢量对飞机大迎角动态气动特性的影响

推力矢量是提高战斗机大迎角动态气动特性,提升其过失速机动能力和飞行品质的重要手段。新一代战斗机的高机动性要求也使气动和推力矢量的融合控制研究日益重要。针对中国空气动力研究与发展中心∅3.2 m开口低速风洞,研制了喷流模拟器和通气动态试验装置,建立了带推力矢量的大迎角动态试验技术。开展了不同减缩频率、不同落压比、不同喷管偏角时的大迎角俯仰振荡运动特性试验研究。结果表明：与无喷流试验相比,带喷流时模型的动态特性均随着落压比和喷管偏角的变化呈现规律性的变化;力和力矩系数形成的迟滞曲线面积随着落压比和偏角的增加而增加;减缩频率的变化对模型的动态特性影响小于无喷流时的影响。总的来说,推力矢量的影响未改变模型大迎角动态特性的基本规律,但是随着推力矢量角度和大小的变化,有规律地改变了模型动态气动力和力矩的变化幅度。