过膨胀单边膨胀喷管试验和数值模拟

在低落压比4~10下,对高速二维单边膨胀喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验研究,模拟气体为高压空气;用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息。试验和数值模拟结果表明,处于深度过膨胀状态下的单边膨胀喷管内部出现了自由激波、分离激波、两种激波相交及相互影响、自由激波分离和激波诱导分离等复杂现象;上膨胀面大面积的气流分离而形成的低压区使喷管轴向推力系数Cfa仅为0.78~0.87;此外,推力矢量角pδ为18°~25°,这对飞行器的配平和控制面操作带来一定的困难。

基于壁面压力分布的单边膨胀喷管反设计及试验验证

针对目前单边膨胀喷管(Single expansion ramp nozzle:SERN)设计方法的缺陷,提出了通过指定壁面压力分布规律来反设计喷管型线的方法,获得了膨胀面型线反设计程序。根据给定的最优壁面压力分布反设计了喷管型线,将该喷管与最大推力喷管进行了性能对比研究,并对该喷管进行缩比冷流试验,试验和数值模拟结果吻合很好。结果表明:在设计点,相比于最大推力喷管,该喷管的轴向推力系数比最大推力喷管只降低0.07%,而升力和俯仰力矩分别提升了23.08%和2.82%,验证了设计思想的正确性,为SERN的设计提供了一种高效而新的设计方法。

膨胀边开槽对单边膨胀喷管性能影响的数值研究

为了得到高气动性能和低红外辐射的单边膨胀喷管(SERN)结构,通过CFD/IR数值模拟的方法,研究了单膨胀边开槽率、开槽角度和落压比(NPR)对单边膨胀喷管气动性能和红外辐射特性的影响。研究结果表明:在低落压比下,单膨胀边开槽形成的气动边界改善喷管气动性能;在高落压比下,扩张段内的热排气倒灌入上游的狭槽内,反而降低了喷管气动性能;随开槽角度增加喷管轴向推力系数减小;单膨胀边开槽后喷管红外辐射强度大幅度降低,最高降幅在XOY平面0°方向达90%;随开槽率增加红外辐射强度减小,而开槽角度对喷管红外辐射强度几乎没影响。

基于控制壁面压力分布的分级单边膨胀喷管设计及试验验证

提出了基于控制壁面压力分布的分级单边膨胀喷管(SERN)设计思想。在强几何限制条件下,设计了一个基准模型A,与采用分级膨胀思想设计的模型B进行对比。然后,对模型B喷管进行缩比进行了冷流试验,试验与数值模拟结果吻合良好,说明数值模拟结果可靠。模型A与模型B数值模拟的对比结果表明,模型B喷管在推力性能下降很少的前提下,冷热态俯仰力矩差较模型A下降了44.6%,有效减小了飞行器的配平难度,验证了该设计思想的正确性。

单边膨胀喷管膨胀型面的非线性缩短设计

对单边膨胀喷管(SERN)型面进行非线性缩短设计,采用CFD技术分析了非线性缩短SERN性能。与理想喷管、线性缩短理想喷管性能对比发现:非线性缩短理想喷管的推力性能优于直接线性缩短理想喷管;NPR较大范围内,较理想喷管推力性能下降很小,最好时不足0.04%。非线性缩短SERN设计方法应用于截短理想喷管并与RAO喷管推力性能对比发现:完全膨胀时推力性能较RAO喷管只低0.7%;严重过膨胀状态NPR=40时,推力性能较RAO喷管高15.6%。

单边膨胀喷管几何参数对内特性和流场的影响

采用三维数值模拟方法研究了单边膨胀喷管(SERN)主要几何参数对其内特性和流场的影响,计算结果表明:侧壁的延伸对SERN的轴向推力系数Cfa是有益的,但过大的侧壁浸湿面积会产生大的摩擦损失从而使推力性能下降;其中部分封闭侧壁的性能要略微高于全封闭式侧壁,而相比于短侧壁,其Cfa的优势在2%左右;此外,侧壁的延伸可以有效降低设计点的推力矢量角δp;长的曲壁模型拥有高Cfa的同时其δp处于较低的水平,在设计点条件下,最高Cfa可达0.983,这与传统的轴对称喷管和二元收扩喷管相差不大;在高落压比条件下,大的喷管喉道宽高比可以有效降低气流展向膨胀损失从而具有高的Cfa和低的δp,而且其优势随NPR的增大而增加。

截短单边膨胀喷管的试验和数值模拟

基于最短长度理论喷管设计程序,获得了设计点为马赫数6.5时单边膨胀喷管(Single ExpansionRamp Nozzle,SERN)等熵膨胀型线,并对其截短70%后的喷管进行模型设计和加工。通过试验和数值模拟结合的方法,研究了模型喷管在不同压比下的流场结构和性能。结果表明:喷管长度截短70%对推力性能影响不大,在所有典型压比下,喷管截短70%后推力系数与原喷管相差不超过1%。该喷管截短70%后,其推力系数在落压比大于60时仍能达到0.95以上,随着喷管压比的继续降低,喷管推力系数迅速降低,性能恶化,喷管在过膨胀状态下的性能应该得到重点关注。

与飞机融合的单边膨胀喷管排气系统气动和红外辐射特征数值计算

单边膨胀喷管(Single Expansion Ramp Nozzle,SERN)是1种新型的排气喷管,具有可以有效抑制航空发动机排气系统的红外辐射和雷达反射截面积、后体阻力小、质量轻、增加飞机的敏捷性和可操控性等优点。运用计算流体力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法,采用标准k-ε湍流模型和标准壁面函数,研究了轴对称喷管、单边膨胀喷管和开缝冷却单边膨胀喷管的排气系统与机身融合后的红外辐射特性空间分布规律。结果表明:单边膨胀喷管大幅度降低了排气系统尾向红外辐射峰值,其降幅达到60%以上,说明了单边膨胀喷管与后机身融合、遮挡内部高温部件,从而降低了尾向红外辐射的卓越红外抑制效果。

不同几何调节位置上的单边膨胀喷管流固耦合计算

为了获得高超声速飞行器非设计点上较好的性能,包括单边膨胀喷管(SERN)在内的几何可调方案成为了目前研究的热点,针对单边膨胀喷管开展了流固耦合的研究,重点分析流固耦合中的动态载荷问题,不考虑结构传热及重力的影响,对不同几何调节位置上的SERN开展了计算分析。结果表明在不同位置上,SERN唇口板均出现了超声速颤振。通过进一步分析,获得结论如下:(1)唇口板振动特点主要由材料属性和结构决定;(2)唇口板在不同调节位置上,振动频率大致均为结构的一阶振动频率,喷管升力的振荡范围较喷管推力的振荡范围大;(3)随着唇口板角度的增加,唇口板振幅增大。

单边膨胀喷管几何参数对性能的影响研究

在实验数据验证的基础上,通过三维数值计算的方法,研究了单边膨胀喷管几何参数对其内特性的影响,给出了各模型在不同落压比下的性能参数。计算结果表明:下腹板角度越大,流量系数越小,下腹板向上倾斜模型的流量系数比向下倾斜的模型低了约2%;在低落压比下,上膨胀面长度越短,轴向推力系数越低,其中上膨胀面最短的模型轴向推力系数约为85%;喉道宽高比越大,流量系数越大,喉道宽高比不同,轴向推力系数差别也较大;尾缘有切角,会使喷管后气体更充分地膨胀,下腹板有切角的模型,其推力矢量角较小,其中,下腹板切角较小的模型最大推力矢量角约为12°。

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。

并联式TBCC单边膨胀组合喷管安装及结构设计研究

针对单边膨胀组合喷管(Single expansion ramp nozzle,SERN)不规则几何结构设计难题,以提高SERN结构刚度、强度为目标,从安装布局方案以及承力结构拓扑优化两个方面开展设计工作,分析了不同位置安装节点对载荷分布、关键位置变形的影响,基于拓扑优化方法,建立了SERN部件级结构概念设计方法和流程,实现了SERN的结构设计。研究结果表明:新增辅助侧拉杆能减小关键位置的变形,同时往左上方移动侧拉杆、右上方移动辅助安装节以及左下方移动主安装节有利于关键位置变形控制和各安装节点载荷的合理分布;优化后的安装方案相比初步安装方案,最大关键位置变形下降了83%,主安装节最大载荷下降了35%,辅助安装节最大载荷下降了55%。设计的SERN结构随TBCC发动机完成了高马赫数模态转换试验,试验后结构状态良好,验证了设计的合理性。

基于支板燃烧室的喷管化学非平衡效应

采用有限体积法全隐式格式和代用燃料C12H23的10组元13步化学反应Arrhenius有限速率模型研究煤油燃料超燃冲压发动机单边膨胀喷管(SERN,Single ExpansionRamp Nozzle)内的化学非平衡流动,通过建立支板燃烧室——喷管模型有效解决了单边膨胀喷管模型的"入口薄层"问题.计算结果表明,整个单边膨胀喷管内,流动呈现化学非平衡效应,喷管入口附近区域尤其显著;非平衡流动喷管性能明显高于冻结流动,随发动机当量混合比ε增加,非平衡流动的喷管推力系数和升力系数相对冻结流动的百分比增量δ不断升高,当ε=0.8时,推力系数百分比增量δCF达到9.41%,升力系数百分比增量δCY达到16.39%,化学非平衡效应对煤油燃料超燃冲压发动机尾喷管性能的影响不可忽略.

分离流状态下单边膨胀喷管内激波反射特性

在单边膨胀喷管(SERN)内流动分离状态下,综合采用试验和数值模拟手段对喷管内激波反射特性进行研究,分析了单边膨胀喷管内激波反射结构,对比了不同激波反射模式下的流动分离特性。结果表明:喷管落压比(NPR)由3.06向5.07变化的过程中,喷管内激波反射由马赫反射(MR)向规则反射(RR)转换,喷管上、下壁面非对称导致MR具有明显非对称特征;通过激波极曲线理论分析非对称MR形成机制,马赫杆上游垂直流向方向的压力梯度是非对称MR形成的根源;振荡NPR条件下,在一个完整周期内,激波反射未出现明显迟滞现象,但激波运动位置变化存在明显的迟滞效应,NPR上升下降过程中激波位置的差量随振荡频率增大而增大,较低(或较高)频振荡NPR条件下激波位置振荡幅值较大(或较小)。

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,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,进行了网格无关性验证。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。

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643K下降到335K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。

单边膨胀喷管试验和数值模拟

在落压比为460范围内,对两种不同膨胀型面的高速二元单边膨胀喷管模型试验件（SERN 1和SERN 2）进行了试验研究,获得了壁面静压分布和纹影照片.用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息.试验和数值模拟结果表明：下腹板出口气流处于深度过膨胀状态时,喷管内部激波/边界层相互干扰并存在45道斜激波,而且SERN 1和SERN 2内部分别出现了自由激波分离和受限激波分离,这使得上膨胀面压力分布和喷管总体性能差别较大.两个模型在设计点附近总体性能差别较小,在设计点轴向推力系数可达0.96,推力矢量角约为9°;在低落比范围内,喷管性能变化较大而且两者差别明显;总体上来说,SERN 2性能优于SERN 1.

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。

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°.

单边膨胀喷管气动和红外辐射特性数值研究

通过计算流体动力学/红外辐射(CFD/IR)数值模拟的方法,研究了单膨胀边倾角、喉道高度、侧壁长度和落压比(NPR)对单边膨胀喷管(SERN)气动性能和红外辐射特性的影响.研究结果表明:轴向推力系数随着单膨胀边倾斜角度增大而急剧减小,推力矢量角随着单膨胀边倾斜角度增大而增大;随着喷管落压比的增大,轴向推力系数先增大后减小,推力矢量角减小;随着喷管侧壁长度的增加,轴向推力系数可略微提高;单膨胀边对尾焰和喷管内壁有显著的遮挡作用,喷管下方的整体红外辐射仅为上方的10%左右;随着喷管落压比的增加,喷管上方的整体红外辐射降低.