双S弯进气道锤激波动态特性研究

发动机喘振产生的瞬时高压引起的进气道内锤激波载荷是飞机进气道结构强度设计的关键因素之一。通过对飞行器进行内外流一体化非定常三维数值计算,分析双S弯进气道内锤激波三维流场非定常特性的演化过程,研究了不同马赫数,不同超压比对双S弯进气道锤激波载荷的影响。研究表明:锤激波经过进气道弯道时,弯道外侧流场压力远大于内侧;锤激波离开进气道入口后,进气道内流场经过数个周期逐渐恢复至初始状态;相同进气道反压时,来流马赫数越小,锤激波在进气道内部传播速度越快,且进气道内部压力系数峰值越大;相同来流马赫数下,随着超压比的增大,锤激波在进气道内部传播速度加快,进气道内部压力系数峰值增大。

双S弯排气系统雷达吸波涂层应用的仿真计算

针对双S弯排气系统的雷达吸波涂层应用,采用弹跳射线法计算并分析了双S弯排气系统的散射源分布、涂覆雷达吸波涂层后雷达散射截面(RCS)缩减效果,以及雷达吸波涂层涂覆部位对双S弯喷管排气系统散射特性的影响。结果表明:典型双S弯排气系统的电磁散射特性存在明显的极化差异,其散射源主要分布在排气腔体终端结构、弯曲流道和喷管出口处,在相应部位涂覆雷达吸波涂层后在X波段、Ku波段的RCS减缩为78.0%、72.2%;在双S弯喷管排气系统中弯曲流道是强散射源之一且对总RCS贡献较大,在该位置涂覆雷达吸波涂层可有效降低排气系统的RCS;根据不同的涂覆方案,在X波段和Ku波段对应的RCS缩减分别为56.9%~78.0%、49.5%~72.2%。

出口形式对双S弯排气系统红外特性影响研究

以轴对称收扩喷管为基础,利用截面曲率控制的方法并结合流量匹配原则,设计生成了不同出口形状的双S弯喷管。采用CFD数值模拟技术获得了6种模型的流场特征及组分浓度分布,在此基础上利用逆向蒙特卡洛方法对其进行了红外辐射特征研究,先后对比了不同模型的后半球红外辐射强度空间分布、探测面辐射亮度分布以及后半球锁定距离空间分布。研究结果表明:双S弯喷管能够有效减缩目标红外信号,出口形状对排气系统红外辐射有一定影响,梯形出口模型的红外辐射强度明显低于矩形出口以及椭圆出口模型,相比基准模型至少使红外辐射峰值减缩70%;随着梯形下底角的减小,其红外辐射强度逐渐降低;在推力损失可接受范围内利用合适的梯形出口能进一步降低排气系统的红外辐射强度。

一种双S弯非常规进气道地面工作状态的试验

对一种双S弯非常规进气道进行了地面工作状态下的试验研究,得到了该类进气道的地面工作特性,结果表明:(1)双S弯非常规进气道在地面工作状态下,随着出口马赫数的增加,总压恢复系数呈下降趋势;稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数均上升;稳态径向畸变指数变化不大。(2)与飞行状态下的高速风洞流场控制试验研究结果相比,在相同的出口马赫数下,地面抽吸试验中进气道出口截面的总压恢复系数较低,稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数较大,本研究的双S弯非常规进气道在出口马赫数Mae=0.45时,总压恢复系数为0.90,稳态周向畸变指数达到了9.24%,紊流度为4.6%,综合畸变指数为13.85%,畸变比较大,超出了一般发动机的承受范围。(3)在地面抽吸状态下,进气道出口马赫数Mae?0.37时,综合畸变指数W?10%,说明发动机可在适当的降转速下稳定工作,随着飞机在地面滑行速度的增加,满足发动机稳定工作要求的进气道最大出口马赫数不断增加。

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明:S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超声速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。

双S弯结构应变计算与试验测量

双S弯结构是ITER馈线系统的重要组成部分,主要用来吸收电缆由于降温收缩造成的位移变形,为了确定该结构在一定位移载荷下的变形情况,基于能量原理,采用单位力法计算出该结构轴向各位置的轴力、弯矩和应变分布。通过数值模拟和试验测量,应变的理论计算值与数值模拟所得值和试验测量值的相对差值都很小。可以认为:运用该方法计算类似结构的轴力、弯矩和应变分布是可行的,计算结果具有较高的准确度。

低可探测双S弯喷管红外辐射特征研究

以喷管入口完全几何遮挡的二元双S弯喷管为研究对象,对其进行红外辐射特征数值模拟,并与有相同进、出口面积和长度的轴对称喷管进行对比分析。结果表明:完全遮挡的二元双S弯喷管大幅度降低其总体红外辐射强度,喷管出口宽高比W/H和喷管偏距比S/D对喷管红外辐射强度空间分布和数值影响较大,增加出口宽高比和偏距比均能大幅降低喷管正后方红外辐射强度,最大降幅可达50%以上;喷管长径比L/D的改变对喷管红外辐射强度的影响较小。

双S弯二元排气系统遮挡偏距比对壁温与红外辐射影响的试验研究

为了探究不同遮挡偏距比双S弯排气系统的红外特性,试验研究了遮挡偏距比为55%和100%的双S弯二元排气系统的壁面温度分布和红外辐射特性,并与相应的基准轴对称排气系统进行了对比分析。结果表明:S弯喷管壁温整体要比基准轴对称喷管高约25%,第一S弯下游的上壁面附近存在局部高温区,提高S弯喷管遮挡偏距比后,温度梯度加剧,热应力集中。与基准轴对称排气系统相比,55%和100%遮挡偏距比双S弯二元排气系统均具有突出的红外抑制效果,正尾向(α=0°)红外辐射强度分别降低77.7%和79.3%。从温度和红外辐射强度综合评价,遮挡偏距比并非全遮挡最好,遮挡偏距比从55%提高到100%后,仅能有效抑制上方探测面α=5°和10°的红外辐射,而基本不会改变尾向其他探测方向的红外辐射,在工程设计时应权衡优化损失。

双S弯喷管流动特性及红外辐射特性分析

基于分区控制技术，发展了型面易控的双s弯喷管型面设计方法，用CFD数值模拟技术，对双s弯喷管的流动特性进行了数值模拟．采用信息通道界面（MPI）并行算法编写了基于离散传递法的红外辐射特性计算程序，对双S弯喷管红外辐射特性进行了计算，并与具有相同进出口面积的轴对称收缩喷管的红外辐射特性进行了对比．研究表明：双s弯喷管宽边探测面红外辐射强度低于窄边探测面红外辐射强度，最大幅度为800o；与轴对称收缩喷管相比，双s弯喷管红外辐射强度明显降低，尤其在宽边探测面的30°～40°探测方向上，比轴对称收缩喷管的红外辐射强度低大约30％．

一种双S弯二元喷管的红外辐射特性数值研究

为了降低轴对称排气系统的红外辐射,设计了一种非常规双S弯二元喷管.在CFD计算得到排气系统温度、压力和组分质量分数的基础上,采用反向蒙特卡洛法计算了基准轴对称喷管和双S弯二元喷管的红外辐射特征,并与二元喷管的结果进行了对比.结果表明:双S弯二元喷管能够对排气系统内部的高温部件进行有效遮挡,其强三维流动效应加强了内外涵冷热气流的掺混,在二元喷管的基础上进一步降低了排气系统的红外辐射;随着偏距S的增大,红外抑制效果增加,与轴对称喷管相比在推力损失不大于3%的前提下能够平均降低70%以上的红外辐射.

介质涂覆位置对双S弯排气系统电磁散射特性影响研究

尾喷管作为飞行器后向强散射源之一,可通过特殊结构设计和介质涂覆缩减其雷达散射截面(RCS).本文采用迭代物理光学法和阻抗边界条件的混合计算模型,研究了6种涂覆方案和不涂覆时双S弯排气系统的电磁散射特性,采用所提出的射线行程追踪方法提高了几何消隐计算效率,利用前后向迭代方法加速收敛并采用open MP和MPI并行技术缩短计算时间,获得了在X波段下7种模型的RCS随探测角度的变化规律.研究结果表明,介质涂覆能够有效抑制双S弯排气系统的RCS;合理的介质涂覆方案不仅具有明显的抑制效果,同时又具有经济性好、重量轻及涂覆方便等优势;相比全涂覆方案,仅在喷管出口附近涂覆的方案,可减少73.6%的涂覆材料,且其RCS的最大增幅不超过15.6%,相比未涂覆方案,RCS至少降低18.5%.同时所开发的计算程序可用于任意腔体电磁散射特性的计算,可为带介质涂覆腔体试验提供技术支撑.

双涵道S弯喷管内/外流场的温度分布研究

为了明晰基于真实排气混合器构型的双涵道S弯喷管的壁面温度分布及尾焰特征,数值模拟研究了双S弯收敛喷管内/外流场的温度分布特征。结果显示:排气混合器结构与S形圆转方构型共同影响着S弯喷管的壁面“热斑”分布及出口下游的尾焰特征。S弯喷管的壁面“热斑”呈带状分布,且主要存在于第二弯通道及出口区域的上、下壁面中间区域。喷管下壁面的温度峰值为867 K,相比喷管上壁面增加25.1%;但喷管下壁面的平均温度仅比上壁面高出7.1%。喷管出口截面的“鲸鱼尾形”高温核心区导致出口下游的高温核心区表现为2股较宽的高温喷流。由于流向涡的横向运动,尾焰核心区两侧出现温度较低的热流。

出口宽高比对双涵道S弯喷管流动特性的影响

为了明晰出口宽高比对基于真实排气混合器构型的S弯喷管流动特性的影响机制,数值模拟了不同出口宽高比下的双S弯喷管内/外流特性。结果表明:出口宽高比对排气混合器附近的流场特征影响较小,但增加出口宽高比导致喷管下游纵向转弯处的涡量减小,而涡的横向运动更加剧烈,由此带来的涡损失及内/外涵掺混损失沿纵向有所减小,沿横向持续增大。随着出口宽高比的增加,纵向两弯处及等直段区域的壁面剪切应力减小,相应的摩擦损失和局部损失降低;而上、下壁面极限流线的扩张-汇聚程度增强使得该区域的摩擦损失增大。宽高比的增加导致喷管出口附近气流的轴向速度逐渐增大,出口下游的尾喷流速度核心区长度逐渐缩短。不同出口宽高比条件下,喷管几何构型与排气混合器相互作用产生的多种流动损失的变化趋势相反,综合起来对S弯喷管的气动性能影响较小。

截面变化类型对双S形二元排气系统性能的影响

为了研究截面变化类型对双S形二元排气系统性能的影响,基于轴对称排气系统,建立了前急后缓(A1)、缓急相当(A2)、前缓后急(A3)三种过渡截面变化类型的双S形二元排气系统模型,这些模型具有相同的长度、中心线、进口直径、出口面积和宽高比,并且对发动机涡轮等部件完全遮挡。采用数值计算研究了截面变化类型对推力及红外特性的影响。研究结果表明:A3,A2,A1型双S形二元排气系统的推力依次降低,与基准轴对称排气系统相比,分别下降了2.7%,3.1%,3.8%;三种排气系统红外辐射强度的空间分布规律基本相似,幅值差异在13.8%之内;与基准轴对称排气系统相比,总体而言,不同截面变化类型的双S形二元排气系统在0°方向红外辐射强度均降低了97%以上,在侧向、上方和下方探测面的90°方向分别降低了66.8%,30.2%和34.1%以上。综合考虑推力及红外特性,前缓后急型过渡截面变化类型的双S形二元喷管是较优的选择。

一种高推力和低红外特征的双S形二元排气系统

基于某轴对称排气系统,建立了一种小中段偏径比(S_m/D)、出口偏径比(S_o/D)大于0的双S形二元排气系统模型。该双S形二元排气系统在除了上方探测面0°到20°的角度范围内,所研究的其余方位角均做到了喷管型面对排气系统内部涡轮等高温部件的遮挡。通过数值计算研究了双S形二元排气系统的推力和红外特性,并与基准轴对称排气系统进行了对比。结果表明:小中段偏径比和大长径比使双S形二元排气系统避免了推力损失,相比基准轴对称排气系统,该双S形二元排气系统的推力增加了0.2%;双S形二元排气系统的红外辐射强度在侧向探测面上最小,在上方探测面最大;相比基准轴对称排气系统,双S形二元排气系统在0°方位角降低了97%以上,在侧向、上方和下方探测面90°方向分别降低了62.1%、26.1%和34.9%。

出口宽高比对S弯喷管流固耦合特性影响

针对涡扇发动机用双S弯喷管,通过串行双向松耦合方法研究了不同出口宽高比对双S弯喷管流固耦合特性的影响。研究结果表明,S弯喷管的结构变形特征主要位于S弯第一弯下游通道及喷管等值段出口上壁面,且随着出口宽高比增加,喷管第一弯下游区域变形量逐渐增大,出口的变形量先增大后减小,S弯喷管上、下壁面的最大变形均出现在S弯第一弯下游区域。由于喷管出口壁面向外膨胀,出口宽高比在耦合作用下相比设计值减小。流固耦合作用对不同宽高比S弯喷管的流场特征与气动性能产生影响,在小宽高比时喷管结构变形后产生的流动分离对喷管下游流动产生较大影响,此时喷管沿轴向向上弯曲角度减小,推力矢量角减小;在大宽高比时喷管沿轴向向上弯曲角度随着出口宽高比增加逐渐增大,推力矢量角增大。当宽高比为2时总压恢复系数降低了0.56%,流量系数降低了2.67%,推力系数降低了0.72%;当宽高比为10时,此时总压恢复系数降低了0.36%,流量系数降低了4.34%,推力系数降低了1.37%。