火箭发动机推力与红外辐射关联特性数值分析

为实现火箭发动机目标分类与识别,提取发动机推力大小与尾喷焰红外辐射强度间关联关系成为必要环节。本研究以高氮高能GAP/Cl20/Al(GCA)和高氮无烟GAP/ADN/DAAOF(GAD)两种新型推进剂为研究对象,从影响发动机推力的主要型谱参数入手,基于尾喷焰内流、反应流场和红外辐射的全链路计算方法,设计燃烧室压力、喷管膨胀比和推进剂配方谱系,数值分析了发动机推力与欠膨胀尾喷焰在2.7、4.3μm波段的辐射强度的关联性。结果表明:在燃烧室压力和喷管膨胀比变化下,发动机推力与尾喷焰辐射强度均呈对数线性关系;在同推力下,GAD较GCA推进剂的尾喷焰辐射强度偏低3~5倍;燃烧室压力和喷管膨胀比作为推力主导因素下,两种推进剂在不同来流动压下的发动机推力与红外辐射强度近似遵循统一的对数分布关系;推进剂配比变化引起的发动机推力变化较弱,在不同来流动压下两种高氮推进剂对应的尾喷焰辐射强度沿发动机推力呈现出明显的“聚集”现象,且在4.3μm波段内的辐射强度随来流动压差异呈现出分层现象。

加装推力矢量喷管对飞机起飞性能影响研究

矢量喷管是实现推力矢量的关键部件，对矢量喷管的分类和设计方案进行了初步研究，在某型发动机上加装了轴对称矢量喷管，建立了起飞特性的数学模型，得出在不同状态下飞机起飞滑跑距离与推力矢量偏角之间的关系，对减小飞机起飞滑跑距离有重要意义。

排气制动对增压器轴向载荷影响的研究

针对车辆上同时应用排气制动与涡轮增压的情况,研究了排气制动对增压器轴向载荷的影响。通过排气制动与增压器联动试验测量了增压器在各个工况下的轴向载荷,从而确定了数值计算所需的边界条件,并通过数值计算获取了增压器在各个工况的轴向载荷的分布情况。结果表明,与正常工况相比,增压器在排气制动工况下其轴向载荷显著增大,且排气背压越高,增压器轴向载荷越大;涡轮级轴向载荷反向且增大;压气机级轴向载荷显著下降,但方向不变。

并联式TBCC发动机排气系统性能数值模拟

针对一个并联式涡轮基组合循环(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)发动机排气系统的气动方案,对其在整个飞行包线范围内典型工作点上的流场进行了数值模拟研究,获得了飞行包线范围内排气系统相应的推力系数、升力、俯仰力矩随飞行马赫数的变化关系。计算结果显示,在整个飞行包线范围内,排气系统的轴向推力系数随着飞行马赫数先减小后增大,在跨声速飞行时降到最低Ma=0.9,涡喷不加力时为0.562,加力时0.662),在设计点附近达到最大;升力和俯仰力矩性能在亚声速及跨声速飞行时较差,在超声速飞行时随着飞行马赫数增加逐渐好转。表明排气系统在跨声速飞行范围内工作时应采取措施以改善其性能。

航空发动机试车台排气引射器性能的数值模拟

利用数值模拟的方法,研究了地面试车间内喷管-引射器流动规律。改变引射器直径及引射器与喷管距离,得到16种尺寸组合的几何模型并分别计算了相应的压力场及引射流量,分析尺寸变化对推力测量及引射流量比的影响,对引射器直径及引射器与喷管距离的匹配关系给出了建议。仿真结果表明,最佳匹配的与成非线性关系,引射流量比与引射器直径近似成线性关系。

轴对称矢量喷管设计与试验技术研究

简要综述了轴对称矢量喷管的设计与试验,介绍了其技术特点和相应的工作方法,包括计算机仿真技术的采用和循序渐进、并行发展的工作思路,并概要介绍了试车验证情况。试车结果表明:轴对称矢量喷管技术已经取得突破,技术指标达到了飞机部门提出的初步要求。

航空发动机排气引射器推力性能研究

根据发动机排气引射器流场的特征,建立了引射器内流场和排气系统外流流场的一体化三维数值模拟计算模型,得到了整个流场的基本参数;对引射器出口截面流场进行了理论分析,采用某型发动机引射器的尾流流场实验数据对模型进行了实验验证,理论分析和实验验证结果表明模型建立准确可靠。最后采用微元法,结合得到的流场参数计算了使用不同引射器时发动机的推力大小,并给出了各波瓣引射器相对于引射器1的推力损失情况。

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°。

不同推力与射流类型的火箭发动机排气噪声仿真研究

火箭发动机排气的气动噪声分析是降噪的基础。采用k-ε湍流模型和大涡模拟对发动机排气场进行仿真,再采用FW-H法对噪声场进行计算。对4种不同推力发动机的欠膨胀和过膨胀排气流场的仿真分析表明:排气场声功率级的分布与湍流强度的分布具有相似性,且有明显边界;声功率级在射流影响区域呈现锥形分布的特征,半锥角随推力增大但变化不大,在13°~16°;正激波后的声功率最大,此外噪声强度最大的位置介于马赫数为1的界面到燃气/空气界面之间;射流欠膨胀时,最大声功率在喷管出口下游,射流过膨胀时,最大声功率在喷口附近或内部;对于推力接近的发动机排气场,其噪声声压级基本相同,与射流状态无关;随着发动机推力的增大,声功率级最大值增大不多,而高声功率级的范围扩大是噪声增大的主因;发动机排气噪声的频率范围较宽,主频随着推力增大而降低的原因不是高频噪声降低,而是下游大尺度涡脉动引起的低频噪声增强。

涡扇发动机二元排气系统推力与红外特征多目标型面优化设计

以涡扇发动机二元排气系统为例,以排气系统推力系数、3~5μm波段正尾向红外辐射特征为优化目标,以窄边探测面30°和宽边探测面90°方向的红外辐射特征为约束,以喷管喉道宽高比、喉道型面半径比、收敛半角和扩张半角为优化变量,在发动机地面军用动力状态,研究排气系统推力与红外特征的多目标型面优化设计。在设计过程中,基于正交试验法确定初始样本点,建立排气系统推力系数、红外辐射特征与设计变量间的RBF代理模型,采用自适应模拟退火算法对代理模型进行分析求解。结果表明:多目标优化方法可应用在排气系统推力与红外特征的兼容设计上,并可取得一定的效果,相比基准二元模型,仅通过型面设计,多目标优化后排气系统推力系数提高了5.3%,在正尾向的无量纲积分辐射强度降低了17%。

波瓣凹扇修形对波瓣强迫混合排气系统性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统结构,保持波瓣数以及波瓣几何参数不变,改变波瓣尾缘的凹扇修形程度,从而获得一组除凹扇修形程度不同其余几何参数均相同的波瓣几何模型。对该涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统采用三维CFD模拟的方法,得到了凹扇修形对涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统气动热力性能的影响规律。研究结果表明:在波瓣尾缘以及混合排气系统出口,随着凹扇修形程度的变大,热混合效率均呈现出上升的趋势;而总压恢复系数则均逐渐地减小。在混合排气系统出口,推力混合效率随凹扇修形程度的变大而上升,与没有凹扇修形的模型相比,研究的凹扇修形模型的推力混合效率最大增加了39.33%。此外,随着流向涡沿轴向发展,波瓣凹扇修形对热混合效率的影响逐渐减弱。

涡桨发动机排气推力计算研究

涡轮螺旋桨发动机总推力中,排气推力是重要的组成部分。通过对自由涡轮涡桨发动机的循环分析,得出涡桨发动机的总推力、单位推力、总效率、热效率等。在飞行试验中,可以通过测量涡轮后截面和尾喷管出口截面参数的方法,建模计算得到涡桨发动机排气推力。和某仿真计算程序结果进行对比,流量和排气推力的相对误差不超过2%,计算结果接近,这从侧面验证了计算方法的正确性。

波瓣尾缘切角对涡扇发动机混合排气系统气动热力性能影响

为了获得尾缘切角对涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统的流场、热混合效率、总压恢复系数以及推力系数的影响,以涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统为研究对象,采用基于Navier-Stokes方程的三维数值模拟方法对不同波瓣尾缘切角模型进行了计算并得到了气动热力性能的影响规律。结果表明:较大的尾缘切角造成在尾缘截面前主次流更早的提前混合,使流向涡的产生和发展在位置上向上游提前,以至于在尾缘截面之后的一定范围内混合效率更高。但大尾缘切角同时也造成较大的能量损失,以至于总压恢复系数较小,总的混合效率偏低:相比0°切角,25°切角的总压恢复系数减小了0.34%,热混合效率减小了11%。适当的尾缘切角修形可以增大推力系数。

民用航空发动机拐点温度的计算方法

影响民航飞机飞行安全的因素众多,其中动力装置性能为一主要因素。针对国内外民机主力机型A320系列飞机的航空发动机CFM56-5B的拐点温度进行研究。阐释高涵道比发动机拐点温度的定义,统计分析CFM56-5B系列发动机拐点温度值及影响因素。分析其对飞机实施假设温度减推力起飞的意义及实施方法,飞机运行高温高原机场的性能要求以及拐点温度对发动机实施健康评估保障飞行安全的作用。应用最小二乘法对起飞数据进行处理,分别采用平均值法和正切法计算实际拐点温度,并与理论值验证得正切法可行。

导弹热发射方式增推效能研究

为研究导弹热发射增推效能,设计了3种不同方式的排导空间。建立导弹热发射过程的控制方程和导弹全区域结构化网格模型,使用计算流体力学方法进行仿真,分别采用2阶迎风格式和全隐式方法进行空间离散和时间离散;计算了3种不同排导空间条件下导弹的出筒过程、出筒速度,分析导弹发射时筒内气动特征和导弹在发射筒内运动时增推力随导弹位移的变化过程。数值计算结果与原理验证试验结果符合较好。对不同条件下导弹出筒速度的仿真计算结果表明,采用筒式热发射,可以通过改变排导空间的方法实现燃气能量的再利用,将筒内燃气的气动力转换为推动导弹运动的推力,形成额外的增推力,提升导弹筒内运动速度,降低导弹出筒消耗的能量。

吊挂系统对波瓣混合排气系统气动热力性能影响

为了明确短舱中吊挂系统的堵塞效应对波瓣混合排气系统气动热力性能的影响,采用数值模拟的方法对包含吊挂的混合排气系统进行了定量研究。研究结果表明,受吊挂系统的影响,在波瓣混合排气系统混合段内,存在着一大尺度的回流区,其作用范围随吊挂长度的增加而增加。在性能参数方面,与未考虑吊挂系统时相比,考虑吊挂之后,虽然混合排气系统出口处热混合效率以及推力系数下降很小,最大降幅仅分别为0.017和0.01,但总压恢复系数却显著下降,最大降幅达到了0.03。此外,随着吊挂系统长度的变化,排气系统出口处的热混合效率、总压恢复系数以及推力系数变化幅度小于0.01,变化很小。

分开排气大涵道比涡扇发动机高空模拟试验排气布局评估

为评估分开排气大涵道比涡扇发动机高空模拟试验的排气特性,采用数值仿真方法,对分开排气发动机高空模拟试验时配备的排气扩压器的结构进行分析。主要从发动机尾锥与排气扩压器入口距离、排气扩压器结构尺寸、舱内压力模拟偏差及次流四方面影响进行排气特性计算,并以发动机设计推力进行检验。结果表明:该发动机进行高空模拟试验时,排气扩压器直径应不小于3.5 m,排气扩压器直段长度不小于9.0 m,发动机尾锥与排气扩压器入口距离以0.85倍扩压器直段直径为宜;发动机飞行包线的巡航点和左边界点的推力偏差,均随模拟舱压偏差绝对值的增大而增大,但巡航点推力变化斜率较大。

串联式底排火箭复合增程的推力损失研究

利用分区技术 ,从二维轴对称Euler方程出发 ,应用有限体积TVD格式 ,数值模拟了火箭喷管出口截面处于底排装置空腔中不同位置时的燃气流场 ,并进行了推力损失研究 .结果表明 ,在底排装置空腔中的流动特性很复杂 ,存在涡系结构 ,底排出口截面上的密度、排气速度和压力是影响推力损失的主要因素 ,得出了推力损失随喷管出口截面在底排装置空腔中不同位置时的变化规律 。

减推力起飞对航空发动机性能影响

介绍了飞机减推力起飞的方法,分析了减推力起飞对民用涡轮风扇发动机性能的影响。得出减推力起飞能降低发动机涡轮前温度、起飞排气温度裕度(EGTM),延长发动机在翼时间和使用维护周期,达到节约发动机维修成本的目的。

混排涡扇发动机推力确定方法研究

引入具有物理意义的混合效率作为喷管特性,用于混排涡扇发动机推力确定。基于混合室入口内外涵参数,建立数学模型计算假设内外涵气流完全混合和不混合情况的推力,同时设置相应的边界条件,用数值模拟结果作为实际推力,得到不同试验点的混合效率。采用回归分析函数得到混合效率的特性方程。实际应用中,利用测取的混合室入口参数计算完全和不完全混合时的推力,再引入混合效率确定实际推力。利用该型发动机地面台架试验数据对本计算方法进行验证,计算结果与实测推力的相对误差均在2.0%以内,满足工程试飞要求。