一种矢量增强型双喉道射流矢量喷管的数值模拟及实验验证研究

摘要

在双喉道射流推力矢量喷管的基础上,本文提出了一种矢量增强型双喉道射流矢量喷管的概念:在喷管尾部增加一扩张段,利用流体的附壁效应使主流在扩张段中进一步偏转,从而获取更大的矢量角。借助CFD技术,对该类喷管的设计规律进行了研究,获得了扩张段的主要设计参数对喷管性能和流场结构的影响规律,继而提出了扩张段开缝设计方案以解决扩张段中主流过膨胀引起的推力性能过低的问题。而后,设计并搭建了喷管实验台,根据数值模拟的结果设计了多组喷管实验模型,并对其开展了实验验证研究。
　　 研究结果表明,空腔长度、空腔扩张角、空腔收敛角、扩张段扩张角、扩张段长度、扩张段型线等设计参数对矢量增强型双喉道射流矢量喷管的性能及内部流动结构均有着较为显著的影响。内凹型扩张段在二维仿真下得到了24.96°的矢量角、8.99°/1％次流量的矢量效率,其推力系数为0.900。开缝设计方案利用狭缝引入环境气流可以显著地改善内凹型扩张段推力性能过低的问题,开缝数和开缝角对喷管性能有着显著的影响,在开缝数3、开缝角30°条件下得到了23.02°的矢量角、8.46°/1％次流量的矢量效率和0.935的推力系数。在高空外流的干扰下,喷管上下外壁面的压力差对喷管性能的影响极其显著,而开缝设计的内凹型扩张段此时仍有着较高的矢量性能和推力性能,开缝数3、开缝角30°时,得到了23.92°的矢量角,9.48°/1％次流量的矢量效率和0.945的推力系数。另外,所搭建的喷管实验台可在较宽广的NPR、SPR范围内对射流矢量喷管进行实验研究,且所获得的多组喷管实验结果与数值仿真结果具有良好的一致性,表明所建设的喷管实验台是成功的,同时也证明了矢量增强型射流矢量喷管具有良好的推力矢量特性,验证了数值仿真方法的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究水平及应用

1.3 本文的工作

1.4 本文的主要结果

第二章 矢量增强型双喉道射流矢量喷管的参数化研究

2.1 数值求解方法及物理模型介绍

2.1.1 物理模型

2.1.2 仿真方法

2.1.3 计算域、网格生成及边界条件

2.2 喷管性能参数定义

2.3 仿真方法验证

2.4 工作机理及设计规律研究

2.4.1 工作机理分析

2.4.2 设计参数对喷管流态及性能参数的影响

2.5 三维流动特征研究

2.5.1 模型介绍

2.5.2 计算说明

2.5.3 三维与二维数值模拟结果的对比

2.6 小结

第三章 基于开缝的内凹型扩张段的数值仿真研究

3.1 物理模型及计算说明

3.2 喷管性能参数定义

3.3 主要设计参数的规律性研究

3.3.1 缝宽变化的影响

3.3.2 开缝数的影响

3.3.3 开缝角的影响

3.4 三维和二维数值模拟结果的对比

3.5 小结

第四章 外流干扰下开缝喷管方案的工作特性研究

4.1 计算说明

4.2 高空外流干扰下喷管性能的评价方法

4.3 射流状态下开缝设计参数对喷管性能的影响特性

4.3.1 开缝数的影响

4.3.2 开缝角的影响

4.4 小结

第五章 射流矢量喷管静特性的实验研究

5.1 喷管实验台的设计

5.1.1 高超声速风洞(NHW)简介

5.1.2 实验方案的总体设计

5.2 基于仿真的初步评估

5.3 实验台及实验模型的详细设计及测量方法介绍

5.3.1 试验台的详细设计

5.3.2 实验模型的详细设计

5.3.3 测量系统介绍

5.4 实验台安装与调试情况介绍

5.5 初步实验及结果分析

5.5.1 双喉道射流矢量喷管的流态分析

5.5.2 内凹型扩张段的流态分析

5.5.3 内凹型扩张段开缝设计方案的流态分析

5.6 小结

第六章 结论和展望

6.1 结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果