一种矢量增强型双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟

为克服双喉道射流矢量喷管矢量角偏小的缺点,提出了一种矢量增强型双喉道矢量喷管的设计概念:在喷管尾部增加一扩张段,利用流体的附壁效应使主流在扩张段中进一步偏转,从而获取更大的矢量角.首先对设计概念的可行性进行了仿真分析,而后对扩张段的设计规律进行了研究.结果表明,在喷管尾部附加扩张段可显著强化其推力矢量性能,使矢量角达到20°以上,但也导致了一定的推力损失.在研究范围内,扩张段扩张角、扩张段长度、扩张段型线等设计参数对喷管的矢量效率、推力系数以及内部流态均有着显著影响,而在扩张段开缝则可以作为一种抑制尾喷流过膨胀的有效措施.若将内凹型扩张段与开缝方案相结合,仅需消耗2.8%的次流便可获得24.12°的推力矢量角和0.929的推力系数.      

一种基于引射效应的流体推力矢量新技术

流体推力矢量是一种利用流动控制技术实现推力转向的方法,针对现有二次流动控制推力矢量方案的不足,提出了采用引射方式的新型流体推力矢量技术,该技术在喷管套管内利用引射作用产生低压区使主流方向偏转,实现推力转向。并且可以通过限制流量的方法调节主喷流对单侧套管的抽吸程度,使得在喷管套管内产生不同的横向压力梯度,达到了矢量化控制推力转向的目的。运用这一概念设计了矩形矢量喷管,采用数值模拟方法验证了喷管的推力转向效果,探讨了该矢量喷管内喷流转向形成的流动机理,从推力损失、转向效率上对喷管的性能特点进行了分析。计算结果表明:该矢量喷管的最大推力转向角度达到24°,对应喷流附壁状态,在喷流附壁之前可以矢量控制的推力转向角为0°~13°,推力损失在1.5%~7.0%之间变化。最后根据该计算外形以1∶10比例加工了矢量喷管,运用高压气源进行了尾喷流偏转试验。试验表明该矢量喷管在设计状态能够实现射流矢量偏转,从原理上验证了该推力矢量方案的可行性。     

激波诱导控制推力矢量喷管实验及数值计算

采用实验方法,通过在二元收敛-扩张喷管扩张段引入二次流喷射,开展了激波诱导控制的流体推力矢量技术研究.实验过程通过喷管上、下壁面压力测量及出口射流纹影观测,研究了主流压力、二次流喷射压力以及二次流喷嘴几何(缝或孔)对推力矢量喷管性能的影响.同时,结合数值计算方法,对各实验工况下的喷管流场进行数值模拟,获得了实验手段难以得到的流场数据和性能,对实验结果进行了辅助分析.初步研究结果表明:在给定的实验条件下,主流压力越高,喷管推力矢量角越小,同时推力系数越大;二次流压力越高,喷管推力矢量角越大,同时推力系数减小;同孔喷射相比,采用喷缝几何下的上壁面激波诱导分离点更趋于向上游移动,分离点后压升显著,射流穿透能力强,对主流的扰动强烈.      

增强型双喉道射流推力矢量喷管的流动特性试验

对一种增强型双喉道射流推力矢量喷管开展了内部流动特性的试验研究,获得了其在不同次流压比状态下的内流结构和沿程静压分布.试验结果显示:在基准双喉道矢量喷管尾部附加扩张段后,能够以2.8%的次流消耗率获得超过20°的平均气流偏角,这表明通过附加扩张段来增加喷管矢量角的设计概念是可行的.在凹腔内,增强型双喉道射流推力矢量喷管的静压分布规律与基准双喉道矢量喷管一致,但在附加的扩张段内,下壁面的压强要明显高于上壁面,这正是其推力矢量角得到显著增大的原因.随着次流压比的增加,喷管获得的推力矢量角单调增加,但是喷管附加扩张段的矢量增强效果基本维持不变.      

固定几何气动矢量喷管气动性能数值仿真

为掌握固定几何气动矢量喷管气动性能,通过CFD数值模拟的方法,研究了主流落压比、扩张段二次流落压比、扩张段二次流角度和引射对固定几何气动矢量喷管轴向推力系数的影响;主流落压比、扩张段二次流落压比和扩张段二次流角度对矢量角的影响;主流落压比、喉道二次流落压比和喉道二次流角度对喉道控制率的影响。结果表明:随主流落压比增大轴向推力系数增大,矢量角减小,喉道控制率减小;随扩张段二次流落压比增大推力系数减小,矢量角增大;随喉道二次流落压比增大,喉道控制率增大;随扩张段二次流角增大轴向推力系数减小,矢量角略有减小;随喉道二次流角增大喉道控制率增大;随引射方式增加喷管推力系数增大。     

扩张段注气对扩张型双喉道喷管起动的影响研究

扩张型双喉道喷管存在起动问题,使喷管推力性能显著下降。为此,提出了扩张段注气解决喷管起动问题的方案,并利用数值模拟方法,针对二元扩张型双喉道喷管,研究了扩张段注气压比、注气位置等对喷管流动和性能的影响。研究结果表明：扩张段注气可以产生斜激波系和大的分离区,改变了扩张型双喉道喷管主气流通道的形状,减小了激波损失,解决了喷...     

基于微型涡喷发动机热喷流的无源流体推力矢量喷管的控制规律

流体推力矢量喷管型面固定、活动部件少、结构重量轻，能够为高机动飞行器提供有效的飞行控制手段，但无源流体推力矢量喷管热喷流的偏转控制规律尚未完全掌握。为了推进无源流体推力矢量技术的实用化，本文设计研制了适用于微型涡喷发动机的耐高温喷管模型，对该喷管在微型涡喷发动机热喷流状态下的控制规律进行研究。利用非接触光学显示和测量手段——红外热成像拍摄和粒子图像测速（PIV）技术对主射流流动特性进行研究，获得流动矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律；利用六分量盒式天平测力实验研究无源流体推力矢量喷管的力学特性，获得推力矢量角随二次流控制阀门闭合度变化的控制规律。研究结果表明：该构型喷管在微型涡喷发动机热喷流下主射流连续可控偏转，最大流动矢量角为-12.3°/12.3°，最大推力矢量角为-12.9°/12.8°，控制规律接近线性，不存在主射流偏转突跳问题。     

激波诱导轴对称气动矢量喷管流场数值模拟

在落压比3～10,次流相对流量比2.5%～20%工况下,采用RNGk-ε湍流模型对扩张段开缝的激波诱导轴对称气动矢量喷管试验件进行了数值模拟.结果表明:壁面静压分布计算值和试验数据相对误差不大于10.1%.次流的注入使得气动矢量喷管内流流动非常复杂,流场结构的主要特征是在扩张段有一对旋向相反的主分离涡与射流角涡和一个位于次流与出口截面之间较大的回流区.流场结构随着落压比和次流相对流量比的变化而改变.      

二元喉道倾斜矢量喷管调节方法

利用数值模拟方法,对二元喉道倾斜矢量喷管的调节方法进行了研究。研究结果表明,当喉道注气流量不变,随着扩张段注气流量逐渐增大,喷管内出现三种典型流动状态。当扩张段注气流量比较小时,喉道处声速线的形状和位置没有明显变化,在扩张段注气口前面形成亚声速区域;当喷管扩张段注气流量比较大时,喷管中出现了强激波系和上下贯通的亚声速区域,这时喷管内的流动损失最大,推力系数最低;进一步增大扩张段注气流量,声速线会从喷管喉道移动到喉道注气口和扩张段注气口之间,出现典型的喉道倾斜现象。单独控制流量系数可通过保持扩张段注气流量不变,改变喉道注气流量来实现;矢量角的控制可通过保持喉道注气流量不变,改变扩张段注气流量来实现。     

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。     

湍流模型在单/双缝引射矢量喷管中的验证分析研究

利用数值模拟方法,分别求解以SA、SSTk-ω、EASMk-ω或k-ζ湍流模型封闭的RANS方程,针对单/双缝引射的激波控制射流推力矢量喷管展开研究,在多个主喷流压比NPR(4.6,7.0,8.78,10.0)和次主流压比SPR(0.7,1.0)下,系统考察了四种不同湍流模型对射流推力矢量喷管内外流场的流场结构,性能参数及主喷管内壁面压力分布的预测能力,探讨了由激波控制产生的推力矢量随不同参数的变化规律。数值计算结果表明,四种湍流模型都能比较准确地预测出射流推力矢量喷管的性能参数和喷管流场结构,双缝引射的推力矢量效率并不一定优于单缝引射。     

二次流喷射位置对流体推力矢量喷管气动性能影响的数值模拟

数值模拟了二次流喷射位置对基于激波控制的二维收-扩(2DCD)喷管的流体推力矢量气动性能,结果表明喷射位置对矢量角有较大影响,在喷管落压比NPR=4.5时,二次流喷射位置相对位于喷管发散段中部时,矢量角最大;在NPR≥7.2时,二次流喷射位置越靠近出口,矢量角越大.喷射位置对推力系数及流量系数的影响不大.      

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°。     

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。     

激波诱导矢量喷管动态数值模拟

对一二元收扩激波诱导矢量喷管进行了二维动态数值模拟,研究了不同落压比、不同次流加速时间下,喷管气动特性和流场结构随次流增加的变化规律。结果表明:喷管在过膨胀状态下,次流流量达到一定值时,其推力会有较强的振荡;在完全膨胀和欠膨胀状态下,振荡较小。其原因是,次流增加过程中,喷管出口附近有复杂波系存在和回流产生,而回流对提高推力和增加矢量角有益。     

基于次流喷射控制推力矢量喷管的实验及数值研究

应用实验和数值模拟的方法,对一种新型的推力矢量喷管—基于次流喷射控制的二维推力矢量喷管的推力矢量性能和流场进行了研究。实验是在西北工业大学小型超高速吹气式风洞中进行,测量了在不同的二次喷流情况下,推力矢量和流场的变化规律;采用时间推进求解N-S方程的方法数值模拟了二维推力矢量喷管内流场和性能。研究结果表明,应用次流喷射控制主流流动可以实现较大的推力矢量转折,但是,二次喷流必须具有足够的压力值;如何从推力矢量工作方式恢复到轴向流动工作方式则是需要进一步研究的问题。      

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.      

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。     

两种气动推力矢量技术的数值模拟研究

对两种收扩喷管推力矢量控制技术:激波矢量控制技术和喉部偏移控制技术,进行了流场计算和性能比较。本研究中,喷管进口至喉部几何型面固定,扩张段长度为定值,二次流喷射位置、角度保持不变,采用CFD数值模拟方法计算喷管膨胀比不同时的流场。从计算结果可以看出,喉部偏移控制技术适用于膨胀比小于1.5的收扩喷管,而激波矢量控制技术适用于膨胀比大于1.5的收扩喷管。喉部偏移控制技术的特点在于其可以限制喷管主流流量,影响主、次流流量比的主要因素为二次流与主流的总压比。     

喷管结构形式对两级PDE性能的影响分析

为了研究喷管结构形式对两级 PDE 性能的影响及作用规律,以氢气和空气混合物为例,采用 FLUENT 软件中的 k-ε湍流模型,使用非平衡壁面函数、PISO 算法及基于梯度的动态自适应网格加密方法,对收敛、扩张、收扩等不同喷管结构形式的凹面腔内环形向心射流聚心碰撞产生激波会聚起爆爆震波的过程进行了数值模拟,并对两级脉冲爆震发动机产生的推力和冲量进行了计算。通过对不同时间点凹面腔产生的推力和冲量、喷管产生的推力和冲量、两级 PDE 总的推力和冲量三者之间的对比和分析,发现凹面腔产生的推力和冲量是两级 PDE 总的推力和冲量的主要来源,不同喷管结构形式对两级 PDE 推力和冲量性能的影响有较大的差别。以冲量为例,收敛喷管可以提高凹面腔的冲量,但是由于自身同时产生过多负的喷管冲量,因而总冲量较小;扩张喷管虽然对凹面腔冲量的提高作用不大,但是由于其自身可以提供正的喷管冲量,所以总冲量较大;收扩喷管的收敛段也可以较小幅度的提高凹面腔冲量,但同时产生的负喷管冲量会和扩张段产生的正喷管冲量发生抵消,使总的喷管冲量比较低,发动机总冲量也较小。综合考虑各方面因素,扩张喷管性能最优。可见在两级 PDE 喷管结构形式的选择上,要同时考虑凹面腔冲量和喷管冲量,权衡两者,才能选择出合适的喷管。