球型收敛调节片喷管静态内性能数值研究

基于CFD数值计算软件,针对喉部宽高比为2.083的球型收敛调节片喷管,进行了矢量与非矢量状态下的内性能数值研究。考察了在不同俯仰和偏航矢量状态下,喷管推力系数、流量系数的变化及落压比对气动矢量角的影响。结果表明:俯仰和偏航两种矢量状态对喷管的推力系数、流量系数产生的影响都在3%以内。喷管的俯仰是通过同时转动上下扩张板来实现的,其与偏航作动相比表现出对性能更大的影响;另外发现在设计压比之前,气动俯仰角出现了随落压比先增大后减小的趋势,而设计压比之后渐渐趋于不变,基本和几何俯仰角相等,但落压比对气动偏航角却没有表现出太大的影响。     

双喉道气动矢量喷管气动及红外特性研究

对具有圆转方过渡段的双喉道射流矢量喷管进行了设计建模和气动、红外辐射特性数值模拟计算。分析了其喷管射流注入角对喷管气动性能、矢量性能和红外辐射强度的影响。研究结果表明:射流注入角度为100度左右时,推力系数最大;次流降低了双喉道二元射流矢量喷管的全向红外辐射强度,推力矢量方位的辐射强度普遍更小;130°射流角时,双喉道射流矢量喷管红外辐射强度较小。     

加遮挡板后二元喷管的红外辐射特性数值模拟

在宽高比为6.33的圆转矩形二元喷管喷口处安装不同结构的下遮挡板。通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合数值模拟的方法,获得加遮挡结构后二元喷管的红外辐射场分布特征,并对不同遮挡结构的红外辐射抑制效果进行比较。结果表明:遮挡板结构改变了二元喷管原有的对称结构的辐射场分布。它对喷管的尾焰以及内外壁面产生的红外辐射在-90°~0°方向上有着较好的抑制作用。尾焰红外辐射强度最多降低51%,喷管内壁面红外辐射被完全遮挡。而双层遮挡结构可以削弱二元喷管-90°~0°方向43%的总体红外辐射,与此同时却增强了0°~90°方向40%的红外辐射。     

单边膨胀矢量喷管气动和红外特性研究

在实验数据验证的基础上,通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)综合的方法,对不同落压比、不同几何矢量角下的单边膨胀喷管(SERN)进行分析。研究结果表明:喷管无几何矢量动作下,低落压比下的单膨胀边上过度膨胀是造成喷管推力性能急剧下降的原因;喷管在负矢量角下,过度膨胀加剧,推力性能降低;随着喷管几何矢量角绝对值的增加,矢量推力增加,但推力系数减小,喷管几何矢量角在±25°、喷管落压比在3~6的研究范围内,喷管推力系数最低为0.88左右,最高达0.98;喷管几何矢量角为5°时,喷流红外辐射强度最大,喷管矢量角偏离5°的程度越大,尾焰红外辐射强度越低,但是空间分布规律不变。随着喷管几何矢量角的改变,喷管整体红外辐射强度的空间分布规律发生改变,几何矢量角为负时,辐射强度值大的探测角度向下方移动,几何矢量角为正时,喷管整体红外辐射较强的位置分布在上方,由单膨胀边高温壁面以及喷管内腔的可视面积决定。     

单边膨胀喷管红外辐射特性的数值模拟

 通过计算流体力学/红外辐射(CFD/IR) 数值模拟的方法,研究了单边膨胀喷管(SERN)膨胀边开缝、膨胀边倾斜角度和喷管收敛通道面积比这3个结构参数对单边膨胀喷管气动性能和红外辐射特性的影响规律。模拟结果表明：单膨胀边上开缝后,红外辐射强度有较为显著的下降,气动性能也得到改善;其中, xOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降26.4%, yOz 坐标平面尾焰红外辐射强度峰值下降25.2%,单膨胀边壁面平均温度从643 K下降到335 K左右;单膨胀边倾斜角度增大,使得喷管推力矢量角增大,轴向推力系数减小,对高温内壁面和喷管尾焰的遮挡效果减弱;收敛通道面积比的增大使喷管红外辐射强度降低的同时,也使喷管的推力相应减小。     

二元塞式矢量喷管塞锥尾缘冷却及红外辐射抑制效果

运用数值模拟方法,在主流总温920K、冷却空气总温470K的参数条件下,对比分析了塞锥尾缘气膜孔开孔率(1%~4%)、冷却空气用量(4.3%主流质量流量以内)和矢量偏转角(0°~20°)对二元塞式喷管塞锥尾缘冷却和红外辐射的影响。结果表明塞锥尾缘气膜冷却可以有效降低表面温度和喷管红外辐射强度,开孔率为2%的气膜孔阵列的表面降温效果相对较优;冷却空气质量流量比超过2.85%时,塞锥表面温度降低幅度随冷却质量流量比的变化趋于减缓,当冷却空气质量流量比为2.85%时,水平探测面±30°探测角内红外辐射强度相对无冷却喷管下降50%左右,铅垂探测面上气膜冷却表面降温对红外辐射强度的抑制效果更为显著;矢量角对于壁面温度分布影响很小,但对红外辐射强度空间分布具有重要的影响。     

三轴承矢量喷管红外辐射特性

针对涡扇发动机用三轴承矢量喷管（3BSN）,通过数值模拟的方法研究了在巡航和垂直起降（VTOL）状态即非矢量和90°矢量状态下三轴承矢量喷管的红外辐射空间分布特征,并分析了其影响机理。结果表明,在非矢量状态下由于特殊的几何型面使得喷管下壁面出现了局部高温区,喷流形状也变成椭圆锥形,造成垂直探测面上正探测角壁面红外辐射较负探测角最大增加44.6%,水平探测面上的燃气红外辐射大于垂直探测面;90°矢量状态下,由于偏转的喷管结构对前端高温部件的遮挡,总辐射峰值仅为非矢量状态的43.3%;喷管90°矢量偏转使得远离曲率中心一侧的气流速度降低温度升高,喷管外侧出现了大范围的局部高温区,导致垂直探测面负探测角范围的壁面辐射大于正探测角范围,最大相对差值达到71.9%。喷管偏转也遮挡了部分喷管内部的高温燃气,垂直探测面负探测角的仅能覆盖喷管出口处的高温燃气区域,明显小于正探测角,造成燃气辐射出现了20%的最大相对差值。     

二元收扩喷管设计参数对红外特征影响的数值研究

采用正交试验设计方法进行排气系统红外辐射(IR)特征数值模拟算例的设计,研究了二元收扩喷管(2D-CD)喉部宽高比、喉部型面半径比、收敛半角和扩张半角等参数对排气系统红外辐射特征的影响,并且开展了参数对排气系统红外辐射特征影响灵敏度的分析。结果表明:扩张半角是影响二元排气系统红外辐射特征空间范围最宽的参数,收敛半角主要影响尾向10°~30°范围的红外辐射特征,喉部宽高比主要影响正尾向0°和侧向90°的红外辐射特征,喉部型面半径比对红外辐射特征的影响较小;二元排气系统不同方向上红外辐射特征的最主要影响参数不同,正尾向0°方向上的最主要影响参数是喉部宽高比,侧向90°方向上的最主要影响参数按影响程度大小排序依次为扩张半角、喉部宽高比。     

二元塞式喷管红外特征及壁面降温的红外抑制效果计算

用数值计算的方法研究了涡扇发动机二元塞式喷管在3~5μm波段的红外辐射特性,并与轴对称收扩喷管进行了对比.结果表明:无冷却措施时,相比于轴对称收扩喷管,二元塞式喷管在大部分探测角度上红外辐射增强,只在小部分的探测角度范围内具有红外抑制作用,在窄边探测面内探测角为90°方向上,其红外辐射强度降低了54%.若塞锥后部壁面温度降低300K,二元塞式喷管在大部分探测角度范围内的红外辐射强度明显低于轴对称喷管,在正尾向上的红外辐射强度降低了57%;与轴对称喷管中心锥表面降低相同温度相比,二元塞式喷管能取得更高的红外抑制效果,并且所付出的冷却代价较小.      

二元俯仰矢量喷管排气系统红外特征模拟实验

实验研究了二元俯仰矢量喷管排气系统在几何偏转角0°,10°,20°三种状态下的壁面温度分布与红外辐射特征,并与基准轴对称喷管排气系统进行了对比分析。结果表明:二元俯仰矢量喷管排气系统的红外辐射特征相对基准轴对称喷管排气系统有明显下降,正尾向降幅约10%;随着几何偏转角的增加,隔热屏与收敛段的温度逐渐上升,偏转段压力侧壁面温度略有上升,吸力侧壁面温度略有下降,最大变化幅值30K;排气系统红外辐射强度随偏转角增大而增大,尾向15°~45°和-15°~-60°范围内增幅明显,最大增幅可达70%。      

部件冷却对二元俯仰矢量排气系统红外特征抑制实验

实验测试了采用中心锥气膜冷却和喷管冲击-气膜冷却的二元俯仰（2D-CD）矢量排气系统,在几何偏转0,10,20°三种角度下,壁面温度和红外辐射特征分布,并与未冷却状态进行了对比分析。结果表明:前密后疏的气膜孔排布形式可有效减小热侧面高温区域大小。中心锥冷却时,密流比为0.8条件下壁面冷却效率达45%~63%,排气系统尾向±10°范围内红外辐射强度下降20%;但是由于冷气流注入,导致下游壁面（隔热屏、喷管）温度升高,在30°探测方向上红外辐射强度上升15%。喷管冷却时,收敛段（密流比为0.25）冷却效率达19%~33%,扩张段（密流比为0.65）冷却效率达75.5%~83.5%,侧壁段（密流比为0.65）冷却效率达78%~90%,导致在排气系统尾向15°~75°范围内,红外辐射强度下降30%以上,最大降幅达80%（几何偏转20°,宽边探测面30°探测方向）。      

Numerical study of a trapezoidal bypass dual throat nozzle

Bypass Dual Throat Nozzle (BDTN) is a novel type of fluidic thrust vectoring nozzle. To improve the infrared stealth performance of BDTN, a nozzle based on BDTN is proposed and numerically simulated. Each cross-section along the x-axis of the novel nozzle becomes a trapezoid, which is named “BDTN-TRA.” The main numerical simulation results show that BDTN-TRA can produce a thrust vectoring angle when the upper or lower bypass valve is open. The angle difference between the two conditions mentioned above is usually approximately 1°–2°. Even if the two bypasses are closed, BDTN-TRA can produce a small thrust vectoring angle at around 3°–5°. When the sidewall angle increases from 60° to 90°, the thrust coefficient and thrust vectoring angle under each work condition usually decrease. A larger aspect ratio indicates better performance. As the aspect ratio increases over 7.2, the performance of BDTN-TRA is quite close to that of BDTN with rectangular cross-sections at the same aspect ratio. These features will benefit the control and trimming for future aircraft design, especially for the flying wing layout aircraft. Last but not least, BDTN-TRA has a more extraordinary mixing performance compared with BDTN. The distributions of static temperature and axial velocity along the x-axis of BDTN-TRA with sidewall angle of 60° decrease faster than those of BDTN. When the total temperature of the inlet equals 1600 K, the static temperature difference between BDTN-TRA with sidewall angles of 60° and 90° is over 360 K at twice the length of the nozzle downstream of the nozzle exit, which is the reflection for excellent infrared stealth for the fighter.     

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟地面状态

采用数值模拟方法对涡扇发动机排气系统球面收敛二元矢量喷管的气动和红外辐射特性进行了研究,研究仅针对地面状态和俯仰偏转.结果表明:俯仰偏转角在小于20°范围内,俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱,气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等;由于气体的容积性热辐射特征,喷管俯仰偏转角的变化引起高温喷流红外辐射的方向性变化明显,喷管俯仰偏转时的热喷流在3~5μm波段红外辐射呈现一定幅度的增加;排气系统在3~5μm波段的红外辐射峰值随俯仰偏转角的增加而趋于减小,其出现位置小于俯仰偏转角;在大的俯仰偏转角下,排气系统在垂直探测平面上方的红外辐射较无矢量偏转情形有所降低,但在探测面下方却有明显的增强,导致另一个峰值的出现.      

二元双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟研究

对二元双喉道射流推力矢量喷管的设计规律进行了数值模拟研究.结果表明,空腔长度、空腔扩张角、空腔收敛角、上游喉道高度等设计参数对喷管的推力系数、矢量效率以及内部流态均有着显著影响.研究中获得的较优的参数组合方案为:空腔长度2.61,空腔扩张角10°,空腔收敛角30°,上游喉道高度1.0,次流注入角150°(长度尺度以下游喉道高度无量纲化).当主流压比为4、次/主流压比为1.08、次流量为主流的2.5%时,该方案获得了14.34°的矢量角,且推力系数为0.967.      

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟高空状态

针对高空状态下球面收敛二元矢量喷管排气系统,通过数值模拟研究了喷管俯仰偏转角对排气系统气动和红外辐射特性的影响,并与地面状态进行了对比分析.在该研究参数范围内,研究结果表明:在俯仰偏转角为20°范围内,俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱,气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等,高空状态下,喷管的推力系数和总压恢复系数下降0.5%与1.1%;热喷流峰值红外辐射强度仅为地面状态的12%~24%,排气系统的总体红外辐射强度峰值与地面状态下的比值峰值在0.35~0.45之间;随着下俯仰偏转角的增加,排气系统红外辐射峰值呈现下降的趋势.      

球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征的实验研究

为了获得球面收敛二元扩张矢量喷管热射流特征，在小型热射流实验台架上运用红外热像显示和流场测量，在总温673～823K、喷管落压比(NPR)1．46～2．25状态下，对不同喉道宽高比、俯仰角和偏航角的热射流特征进行了实验研究。在本研究范围内，NPR对矢量喷管上壁面附面层流动影响不大；在扩张上壁附面层分离的情况下．壁面附近的流线被上抬，形成“马鞍”形异型总压分布；喷121出121下游的激波呈现一连串的“葫芦”状，随喷管矢量角的增大，流场的不对称性越明显；在收扩喷管喉道宽高比（ARi）为2时，热射流被分成两股。     

平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管数值研究

将异型出口设计与气动推力矢量喷管结合,提出了平行四边形截面的旁路式双喉道气动矢量喷管(bypass dual throat nozzle,BDTN),并与基准矩形截面的BDTN进行流场结构及气动性能的对比研究。三维数值计算表明:平行四边形构型与矩形构型具有相同的气动性能变化规律;相较于基准矩形BDTN构型,由于壁面倾斜导致流场结构变化,平行四边形构型在矢量状态下的俯仰矢量角及推力系数有所降低,但对非矢量状态下的推力系数和流量系数影响不大;壁面倾角是性能变化的重要因素,相同落压比时壁面倾角越小,矢量角越小,壁面倾角不小于60°时喷管的稳定矢量角均可达10°以上,最大矢量角均可达15°以上;平行四边形出口增强了尾喷流与环境气流的掺混,出口射流中心线速度衰减大大加快,有利于提高红外隐身特性。