Experiment and Large-Eddy Simulation on Free Air Jets Issuing from a Rectangular Nozzle with Deflectors

The purpose of the present study was to establish a passive flow control method for a rectangular jet using two types of deflectors installed symmetrically inside a nozzle. This deflector in a rectangular nozzle generates the rectangular coaxial jets. The effect of the slant angle of the deflectors on the flow characteristics and the spread of the rectangular jet was investigated experimentally and by large-eddy simulation. The experiment and the numerical simulation were carried out at a Reynolds number of 9000. The rectangular jet with no deflectors generates a vortex ring from the nozzle exit. The vortex ring collapses in the downstream region and the outline of the jet changes from rectangular to diamond-shaped as a result of the axis-switching phenomenon. The rectangular jet with divergent and convergent deflectors shows particularly noticeable changes in the flow characteristics and vortical structures, as compared to the case with no deflectors. In the case of the rectangular jet with divergent deflectors (slant angle of α = 6°), minor axis spread is promoted more than major axis spread, and axis switching occurs closer to the nozzle exit than that in the case of no deflectors. The outline of the jet also changes from lateral rectangular to vertical rectangular as a result of axis switching. On the other hand, in the case of a rectangular jet with convergent deflectors (α = -6°), minor axis spread is suppressed more than major axis spread, and axis switching occurs farther from the nozzle exit than that in the case with no deflectors. The outline of the jet does not change until the downstream region. Therefore, the spread and the axis-switching location for the rectangular jet can be controlled by the deflectors inside the rectangular nozzle.

双轴承旋转喷管型面设计及数值模拟研究

针对短距/垂直起降战斗机高机动飞行的迫切需求及其矢量喷管机械结构复杂笨重的问题,提出了基于轴对称双喉道气动矢量喷管设计的双轴承旋转喷管,通过采用双轴承结构和双喉道气动矢量喷管相结合的方式,减少驱动结构,使喷管能更高效、轻便地实现短距/垂直起降,并且赋予了飞行器平飞模态高机动飞行的潜力。基于典型轴对称双喉道气动矢量喷管构型,开展了双轴承旋转喷管的型面设计和运动规律研究,利用数值模拟开展关键设计参数对喷管流场的影响研究,获得喷管的性能变化规律。结果表明,短距/垂直起降模态下,典型构型的双轴承旋转喷管推力矢量角最大可达108°,满足短距/垂直起降飞行器对喷管的要求。凹腔段的长短轴比值对喷管短距/垂直起降模态的性能影响较大,相同落压比条件下,长短轴比值越大,喷管的总推力系数越低,推力矢量角越大,并且推力矢量角最大差值达到41°。本文所提出的双轴承旋转喷管可为未来具备短距/垂直起降、高机动性能的飞行器动力系统提供一种新的解决方案。

三摆臂式扰流片矢量气动力数值仿真研究

为适应智能可控弹药发动机喷口愈来愈小的发展趋势,针对三摆臂式扰流片矢量控制形式开展了气动力数值仿真。研究三摆臂式扰流片推力和侧向力调节能力。结果表明:推力随着主推角的增加而降低,最大推力损失仅与主推角有关;当主推角大于36°,扰流片间的气动干扰增强;侧向力随着侧向角和入口压力的增加而增大;当3个扰流片均位于发动机尾流中,前后方向和左右方向侧向力调节干扰小,且侧向力调节对推力影响小。

超音速分离线喷管推力效率影响因素的数值研究

超音速分离线喷管作为一种新型可动喷管,在机械结构、流场分布、推力性能等方面具有不同于传统可动喷管的特点。由于具有偏转放大效应特点,在执行矢量控制时超音速分离线喷管性能较明显优于传统喷管。为了讨论其推力效率受不同因素影响的变化规律及作用机理,对不同摆角下超音速分离线喷管受不同因素影响的内流场开展数值仿真研究。结果表明:在给定的设计参数下,分离线间隙尺寸的增大对推力效率具有减益性,超音速分离线喷管在执行矢量控制时具有较高的推力效率;同时,相较于锥形扩张段,钟形扩张段喷管有着更好的推力效率。

三扰流片推力矢量固体火箭发动机推力调节特性研究

为研究三扰流片推力矢量发动机进行推力调节时的矢量特性,采用重叠网格技术对三扰流片推力矢量装置展开数值模拟;将数值结果采用RBF(Radial Basis Function Neural Network)神经网络方法进行拟合,提出了一种依据舵机位移计算主推力和侧向力的推力矢量计算方法;最后,进行了原理样机推力开环试验。数值研究结果表明,舵机位移在12.5 mm以内时,发动机主推力曲线台阶变化明显;舵机位移为10.5 mm时,喷管尾部流场内开始出现斜激波交会形成马赫盘,马赫盘前移逐渐贴附于喷管口的现象。从拟合得到的侧向力计算式可以看出,三扰流片组合差动受到的侧向力,以及喷管内流动不对称产生的喷管内侧向力均为驱动扰流片旋转的舵机位移的函数。点火试验结果表明,拟合计算得到的发动机主推力和侧向力与试验实测值之间的偏差在4%以内,验证了所提出的推力矢量计算方法的正确性。

喷管流场及其推力矢量的数值计算

本文在Euler及Navier Stokes方程的基础上 ,利用三阶ENO差分格式计算了轴对称喷管的流动 ,得到了与实验较一致的结果。计算结果表明 ,对锥形喷管而言 ,在其它条件限定的情况下出现推力极大值的扩张角在 10°和 15°之间 (约在 12 .5°附近 ) ,即存在最佳扩张角。最后利用三维CFD数值计算 。

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。

气体二次喷射矢量喷管三维流场计算

采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型对气体二次喷射推力矢量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟.比较了在不同喷射参数和不同喷管落压比NPR(Noz-zle Pressure Ratio)下的流场特征,分析了这些参数对矢量偏转效率和推力系数的影响.结果表明,二次流喷射位置、喷射角度和二次流质量流量对矢量角的影响相互耦合,喷管达到最大矢量角时,各参数并不能同时达到各自的最优值;矢量角越大,推力系数越小,推力损失越大;矩形喷射口的推力矢量性能优于圆形喷射口;减小喷管落压比可以提高矢量偏转角度.

二元双喉道射流推力矢量喷管流动参数影响的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同流动参数对二元双喉道射流推力矢量喷管（Dual-throatfluidic Thrust-vecto-ringNozzle，DTN）内流特性和推力矢量控制效果的影响。结果表明，DTN在非推力矢量情况下，NPR在3～4范围时，推力系数较大，达到0．968，而流量系数较小，仅为0．93；NPR再增大，推力系数迅速下降。在推力矢量情况下，落压比一定时，随着次流流量比的增加，推力矢量角增加，而流量系数、推力系数、推力矢量效率减小；次流流量比一定时，随着落压比的增加，推力矢量角减小，系统推力系数先增加后减小，流量系数略微增加。

射流角度对流体控制矢量喷管的影响

采用基于雷诺平均的三维N-S方程和RNGk-ε湍流模型对某型喷管射流注入时的全流场进行了数值模拟,计算结果和试验数据符合良好。为研究射流注入角度对喷管流场的影响,数值模拟了9组射流角下的喷管流场,计算结果表明:射流垂直壁面注入时产生的推力矢量角最大,逆流注入气流对喷管流场的改变要明显大于顺流注入气流的影响,但产生的损失也较大。

带倾角合成射流激励器对低速主流矢量控制研究

基于全流场计算模型———X L,对带倾角合成射流激励器控制宏观低速主流流动进行了数值分析和机理研究。结果显示,激励器出口倾角对主流矢量角控制影响很大,在不增加输入功率的情况下,可使主流流动方向发生大幅度偏转。在激励器存在出口倾角情况下,各状态参数和激励器布置位置对主流矢量影响按规律变化且存在最佳值。压强梯度的存在和旋涡的卷吸作用是合成射流激励器控制宏观低速流流动方向的主要因素。

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。

推力转向喷流与高速主流干扰参数影响规律的数值模拟研究

针对一种简化的飞机模型,数值模拟了推力矢量尾喷流与高速主流的干扰效应,系统总结了来流马赫数、攻角、喷管偏转角、喷流马赫数、喷流总压、喷流总温等参数对飞机气动特性的影响规律,分析了流动机理,结果表明:对于该简化战斗机模型,推力矢量尾喷流对高速主流的干扰局限于尾部局部区域,对全机气动特性的影响较小,仅在较大攻角下才有一定体现;但高速主流对尾喷流的干扰显著,推力矢量角损失随来流马赫数和攻角的增大而增大。

次流通道对双喉道气动矢量喷管的性能影响研究

为了进一步了解次流通道对双喉道气动矢量喷管(Dual Throat Nozzle,DTN)气动矢量性能的影响,基于二维DTN喷管构型进行了详细的数值模拟研究。结果表明:收扩的次流通道相对于平直的次流通道不会改善DTN喷管的推力矢量性能;随着次流流量增加,DTN的推力矢量角存在一个最大值,超过该值各推力矢量性能均会降低;次流通道宽度对DTN喷管推力矢量性能影响显著:(1)次流宽度不影响所能达到的最大推力矢量角;(2)小的次流宽度在进口总压较高的条件下具有更高的推力矢量角;(3)增大次流宽度能降低次流总压,但达到的矢量角会有所减小。

流体喉部喷管二次流矢量控制方案

针对结合了二次流矢量控制的固体火箭发动机流体喉部喷管进行了研究.通过数值模拟着重分析了同时存在推力大小调节和方向改变的工况,即喷管喉部和扩张段上同时存在二次流时的情况.比较了典型的9种二次流喷射方案喉部控制性能和推力矢量性能,并讨论了喉部存在二次流时对下游二次流矢量控制的影响.方案的比较结果为实际设计、方案选型提供了参考.

燃气二次喷射对推力矢量控制发动机内流场的影响

采用准一维非定常N-S方程对固体火箭发动机燃气二次喷射推力矢量控制过程进行数值仿真,研究燃气引出和燃气二次喷射对发动机燃烧室及喷管内流场的影响。重点研究了燃气引出对燃烧室压强波动的影响并对其形成机理进行了初步分析。结果表明,燃气二次喷射推力矢量控制工作过程中,燃烧室压强波动很大,速度在一定程度上脉动,温度基本上不受影响。由于高温高速二次燃气的加入,喷管扩散段二次喷射孔附近及其下游喷管内压强、速度和温度有明显的变化。

合成射流控制主流矢量的发展过程(英文)

合成射流激励器射流矢量控制具有对吸气式发动机进气道出流和发动机喷管流动进行矢量控制的潜力。通过对四种不同出口构型合成射流激励器控制主流矢量偏转的数值模拟和分析,对合成射流控制主流矢量的发展过程进行了研究。结果表明:合成射流控制主流矢量的发展过程可分为三个不同阶段,第一阶段,在主流通道内,激励器工作引起的主流通道压强梯度形成的侧向力致偏主流,在出口处主流矢量偏转Ⅰ;第二阶段,在主流出口附近,合成射流对主流的卷吸作用和引射作用,致偏主流Ⅱ;第三阶段,在出口下游,合成射流与主流自由剪切层发生相互耦合作用,致偏Ⅲ。因此,主射流最终偏转角度是其在经历三个不同阶段时受到的合成射流致偏作用之和,即=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ。

双孔燃气二次喷射推力矢量性能影响因素数值分析

针对大尺寸潜入式喷管双孔燃气二次喷射推力矢量控制的影响因素进行数值模拟,主要分析了喷射孔径、喷射角、喷射位置、喷射孔夹角及喷射孔包抄角对侧向控制力、轴向推力的影响规律与强度。结果显示,随着所研究喷射参数的线性变化,侧向控制力和轴向推力损失都呈现出了复杂的非线性变化规律,通过线性拟合,发现了轴向推力随包抄角、喷射角及喷射位置的增大而减小的趋势,发现了侧向控制力随喷射孔孔径及喷射角的增大而增大的趋势。通过K/R2方法对喷射参数在侧向控制力和轴向推力方面影响规律的分析发现,对轴向推力的影响由强到弱依次是喷射角、喷射位置、包抄角、孔径、喷射孔夹角;对侧向控制力的影响由强到弱依次是孔径、喷射角、喷射位置、喷射孔夹角、包抄角。

逆流推力矢量喷管主流附体及控制方法研究

主流附体问题是逆流推力矢量喷管实际应用中可能遇到的最严重问题之一。当主流附体出现时,会造成推力矢量的失控,因此,在深入研究逆流推力矢量喷管主要气动、几何参数影响规律的同时,有必要关注逆流推力矢量喷管的主流附体问题。基于此,采用CFD数值模拟技术,分析了主流附体形成的机理、特点和主流附体发生过程,提出了采用提高抽吸压力和增加喷管主流压比两种实现附体主流脱体的控制方法。研究表明,尽管存在明显的滞后效应,但控制抽吸压力、主流压比是实现附体主流脱体的有效方法。

轴对称矢量喷管外流对内流干扰研究

应用有限体积法在同位网格中对控制方程进行离散化,对某一轴对称矢量喷管的内外流场进行了数值模拟,数值模拟和试验结果进行了比较,分析了该喷管在矢量偏角20°下,不同的落压比、不同的外流速度对轴对称矢量喷管内流的影响。研究结果表明,喷管内的分离激波是影响轴对称矢量喷管性能的重要因素。