航空发动机二元矢量喷管控制系统设计及验证

矢量推进和红外隐身能力在现代空战中尤为重要,与之密切相关的是航空发动机尾喷管,根据某型发动机二元矢量喷管的特定工作条件,对其控制系统开展研究,提出了喷管喉道控制和矢量控制双回路双余度的设计方案,实现了在发动机稳态和过渡状态下调节喷口喉道面积、出口面积及矢量偏转,并在故障状态下将矢量喷口控制到安全位置等功能。经计算仿真及整机试验验证,设计方案合理可行,满足某型发动机使用要求。

二元矢量喷管流场及性能数值模拟

用有限差分法对二元矢量喷管的内流场及推力性能进行数值模拟。流场计算采用ＭａｃＣｏｒ－ｍａｃｋ两步格式，运用两层代数紊流模型，对初场、网格进行处理，采用加快收敛的当地时间步长，使计算精度和时间都能较好地满足工程应用的要求，得到了与实验数据较一致的喷管内特性。

基于激波控制的S弯二元矢量喷管数值模拟

为了掌握S弯二元矢量喷管的气动性能,采用CFD数值模拟方法研究了有无二次流喷射状态下S弯二元矢量喷管激波诱导的工作机理,以及二次流喷射位置、主流落压比和二次流与主流总压比对S弯二元矢量喷管推力系数、矢量角、壁面静压的影响。结果表明:在二次流流通面积不变、次流与主流流量比W_(s)/W_(p)≤6%的情况下,喷管上、下壁面分别喷射二次流产生的最大矢量角分别为22.9°和15.9°;喷射位置对矢量角有较大影响,对推力系数影响不大,随着二次流喷射位置逐渐靠近出口,矢量角先增大后减小;射流位置固定,随着主流落压比的增大,推力系数增大,当主流落压比从2增大到6时,推力系数最多提高17.9%,矢量角先增大后减小;随着二次流与主流总压比的增大,推力系数整体呈单调减小趋势,矢量角先增大后减小。

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.

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.

矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响

为了研究矢量偏转对二元塞式矢量喷管红外辐射特征的影响,通过喷管缩比模型的红外辐射特征试验,获得矢量偏转对喷管缩比模型红外辐射特征影响的试验数据及规律,并验证了红外辐射特征数值计算方法的计算精度。采用经过验证的计算方法对全尺寸二元塞式矢量喷管在发动机地面工作状态下的流场特性与红外辐射特征进行了数值仿真。研究结果表明:当矢量偏转角由0°增加到20°,塞锥壁面温度分布基本不变,但喷管偏转压力侧壁面温度逐渐升高,最大增幅达到38.5%,喷管偏转吸力侧壁面温度逐渐下降,最大降低15.4%。塞锥是二元塞式矢量喷管最主要的红外辐射源,在尾向-20°~20°方向,塞锥的平均贡献≥63.6%,最大高达91.0%。随着偏转角增加,喷管在水平探测面内的红外辐射强度逐渐减小,其中正尾向上的降幅最大,达到33.6%;在铅锤探测面内,辐射峰值方向朝矢量偏转方向偏移,但偏移角度小于矢量偏转角度。全尺寸模型仿真获得的矢量偏转对喷管红外辐射特征分布的影响规律与缩比模型试验的结论一致。

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673～823 K、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;喷口出口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(ARj)为2时,热射流被分成两股.

射流角度对固定几何结构二元喷管气动喉道的影响

采用基于雷诺平均的二维N-S方程和RNGκ-ε湍流模型的有限体积法,对在喷管喉道附近注入不同角度对称射流的二元矢量喷管全流场进行了数值研究。结果表明:射流与主流的总压比RSP越大,射流角度越接近0,°喷管有效喉道面积比越小。与无射流时相比,当射流缝处于喉道处,射流缝宽度为1 mm,射流角度为0,°RSP=1.0时,喷管相对喉道面积比可达到78.15%;保持RSP不变时,改变射流角度,喷管总压恢复系数、推力系数和射流流量基本保持不变;通过改变射流角度可以有效控制喷管的喉道面积。

比热变化对激波诱导气动矢量喷管影响的数值研究

采用基于雷诺平均的二维Navier-Stokes方程和RNGκ-ε湍流模型的有限体积法,考虑比热随温度的变化,对激波诱导气动矢量喷管的流动情况和性能进行了数值仿真研究。结果表明:与平均定比热计算相比,变比热计算的喷管流动情况发生了较大变化,激波位置前移、激波强度减弱、喷管出口气流平均速度增大;进一步分析发现,与平均定比热计算相比,变比热计算的喷管推力系数、推力矢量角、推力矢量效率均有所增大。

射流总压和角度对气动喉道控制喷管的影响

采用基于雷诺平均的二维Navier-Stokes方程和RNGκ-ε湍流模型的有限体积法,对在喷管喉道附近注入对称射流的二元收敛-扩张喷管全流场进行了数值仿真,分析了喷管处于不完全膨胀状态时射流压力和角度对喷管气动喉道面积以及对喷管性能的影响。结果表明,射流角度和射流总压两者对气动喉道面积控制范围都有显著影响,在所计算的工况下,喉道面积控制范围最大值出现在α=120°、SPR=1.15时,其值为24.53%;射流角度越大,喉道面积控制效率越高。在射流角度一定的情况下,射流总压增大,喉道面积控制效率减小,在所计算的工况下,KTAC最大值达到了5.2,对应的α=150°、SPR=1;喉道面积控制范围增大,喷管总压恢复系数减小。

俄罗斯第6代战斗机发动机最新进展

为全面了解和掌握国外第6代战斗机发动机的研制历程和先进技术,基于有限资料综述了俄罗斯第6代战斗机发动机技术发展路线与关键技术的最新进展。俄罗斯第6代战斗机发动机的构型已经基本明确,关键技术也已基本明确并开始筹划。关键技术包括三涵道自适应循环、二元推力矢量喷管、陶瓷基复合材料(CMC)部件、3D打印等。

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)。