二元喷管气动喉道控制性能的仿真研究*

李　坤,王如根,郭飞飞,胡加国

(空军工程大学航空航天工程学院,西安　710038)

二元喷管气动喉道控制性能的仿真研究*

李坤,王如根,郭飞飞,胡加国

(空军工程大学航空航天工程学院,西安710038)

摘要:为了研究射流总温与射流通道结构对喷管喉道面积控制的影响规律,文中对二元收扩喷管的气动喉道控制进行数值模拟,研究结果表明:增大射流总温能使喉道面积控制效率增大;对比两种采用不同射流通道的气动喷管,在低射流总压比下采用收敛型射流通道的喷管喉道面积控制效率较高,在高射流总压比下采用收扩型射流通道的喷管喉道面积控制效率较高;射流总压比增大喉道面积控制效率先增大后减小;由此归纳出射流速度增大能明显提高射流的喉道面积控制效率。

关键词:二元喷管;气动喉道控制;射流通道;数值仿真

0引言

现代飞行器控制无论是固体火箭发动机的推力随控技术还是复燃加力涡扇发动机的加力控制技术都可以通过改变喷管喉道面积实现对发动机的控制调节[1]。固定喷管通过在喉道附近对称注入控制射流阻塞喷管主流实现喷管有效喉道面积的控制,具有结构简单、可靠性和维修性较好等优点,引起国内外广泛关注,并已开展了部分试验和仿真研究[1-7],而这些研究中并未细致研究射流总温与射流通道结构对喷管喉道面积控制的影响规律。为进一步研究气动喷管喉道面积控制的特性规律,文中对几何固定的二元收扩喷管进行气动喉道控制数值模拟,分析了射流总温与射流通道结构对喷管喉道面积控制的影响。

1模型与数值模拟方法

1.1　喷管几何模型

二元喷管模型如图1所示,喷管收敛段与喉道采用圆弧过渡。喷管出口面积与喷管喉道面积之比为1.25,对应喷管设计落压比为4.25,具体几何参数如图1所示。在喷管喉道附近对称注入射流,射流通道为收敛型(基准型),通道最小宽度d=1.0 mm,根据已有结果射流与主流相逆时气动喷管的喉道面积控制效果较好[7],文中研究射流夹角α为135°的射流控制方案,射流通道出口起始于喷管喉道。

图1　喷管模型

1.2　数值仿真方法

文中使用CFD软件对二元喷管模型的内外流场进行仿真,采用时间推进的有限体积法进行数值计算,控制方程为一般曲线坐标系下强守恒形式的N-S方程,为提高收敛速度和求解精度,离散格式选用隐式二阶迎风格式。湍流模型采用RNGk-ε模型,使用标准壁面函数。

使用分区结构网格对计算网格进行划分,为提高计算的精度,在壁面和喉道附近进行网格加密,由于模型的对称性,只对1/2喷管进行网格划分和数值模拟,喷管附近计算网格如图2所示。喷管进口和射流进口均设置为压力入口,给定进口气流总压总温;对称面设置为对称条件;外流入口设置为压力远场边界,外流出口设置为压力出口边界,为标准大气参数;喷管壁面设置为无滑移绝热条件。

图2　喷管附近计算网格图

2计算结果分析

文中使用喉道面积控制范围RTAC(range of throat area control)和喉道面积控制效率ETAC(efficient of throat area control)对射流的控制效果进行分析[7]。其中:

(1)

RTAC用以评估射流对喷管有效喉道面积的控制效果,Anojet为无射流时的有效喉道面积;Ajet为有射流时的有效喉道面积。

(2)

2.1　射流总温的影响

图3　射流进气总温对气动喉道控制性能的影响

由图3(c)还可以看出,在保持喷管射流总温和射流总压比不变的条件下,喷管落压比对射流的喉道面积控制效率没有明显的影响。

图4　喷管射流附近流场马赫分布(NPR=4.25)

由以上结果可知,提高射流总温(进而增大射流的出口速度)是提高射流喉道面积控制效率的有效手段。

2.2　射流通道的影响

由前节分析可知提高射流的出口速度对提高射流的控制效率具有明显作用,而射流的通道形式对形成不同的射流出口速度具一定作用[8-9],本节对具有不同射流通道结构的气动喷管进行研究,进一步研究射流速度对喉道面积控制效率的影响规律。图5给出了两种射流通道结构,保持射流通道最小宽度d相等,其中(a)为收敛型射流通道;(b)为收扩型射流通道,扩散段面积比(di/d)为1.165,扩张角β为2.86°。

图5　射流通道结构

由图6可以看出:在SPR增大至1.25时射流通道最小截面已处于临界状态(如图8),两种喷管的射流相对流量随射流总压比的增大而增大,且基本呈线性变化规律,射流的喉道面积控制范围也增大;喉道面积控制效率则随射流总压比的增大出现先增大后减小的变化趋势,结合射流出口平均速度的变化规律(如图7),射流出口速度随射流总压比增大先增大后基本保持不变,射流出口速度增大使射流对主流的冲击能力增强,喉道面积控制效率因此增大,而当射流出口速度不随射流总压比增大而变化时,射流流量却继续增大,喉道面积控制效率因此有所降低。

图6　不同射流总比条件下射流控制效果对比

同时,相同射流总压比条件下对比两种气动喷管喉道面积控制效率发现:在射流总压比较高的条件下(SPR>1.75),采用收扩型射流通道的气动喷管喉道面积控制效率较高,而在射流总压比较低的条件下(SPR<1.75),采用收敛型射流通道的气动喷管喉道面积控制效率较高。主要原因是在相同射流总压条件下,不同结构射流通道内的气流流动情况不同,射流出口速度不同。如在射流总压比较低的条件下(SPR=1.25),收敛型射流通道内气流处于近临界膨胀状态,在射流内出口已达声速,气流在内出口外继续膨胀加速,射流出口速度较高,如图8(a)和图8(b)所示;而此条件下收扩型射流通道内气流处于过度膨胀状态,射流流经最小宽度截面后加速至超声速,在扩散通道内出现激波,使射流速度急剧降低,且在扩散通道出口形成较大分离区,进一步降低了射流出口速度。因此,在射流总压比SPR=1.25条件下收扩型射流通道的喉道面积控制效率较低。在高射流总压比条件下(SPR=2.25),收扩型射流通道可以使气流速度进一步增大,射流的喉道面积控制效率因此较高,图8(c)和图8(d)所示。

图7　不同射流总压比条件下射流出口速度

图8　不同射流总压比下射流附近流场马赫分布(NPR=4.25)

由以上分析可知:1)射流出口速度的增大能有效提高射流的喉道面积控制效率;2)在高射流总压比条件下喷管采用适当扩散段面积比的收扩型射流通道具有较高的喉道面积控制效率和喉道面积控制范围,而在低射流总压比条件下采用收敛型射流通道较好。

3结论

文中对不同射流总温和采用不同射流通道结构的气动喷管喉道面积控制进行数值模拟,研究表明:

1)增加射流总温可以提高射流出口速度,增大对主流的阻滞作用,同时减少射流流量。因此,增加射流总温可以提高喷管的喉道面积控制效率。

2)不同射流通道结构的喷管喉道面积控制效果优劣与射流总压比有关。低射流总压比的条件下,采用收敛型射流通道的气动喷管具有较高的喉道面积控制效率;在高射流总压比条件下,收扩型射流通道的喉道面积控制效率较高。因此,射流通道应根据射流与主流的总压比大小设计合适的几何结构。

3)在所有情况下,气动喷管的喉道面积控制效率与射流的出口速度正相关。

参考文献:

[1]D N Miller, J A Catt. Conceptual development of fixed-geometry nozzle using fluidic injection for throat area control, AIAA 95-2603 [R]. 1995.

[2]J A Catt, D N Miller, V J Guilianno. A static investigation of fixed-geometry nozzle using fluidic injection for throat area control, AIAA 95-2604 [R]. 1995.

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[6]王庆伟, 刘波, 王如根. 二元喷管气动喉道控制的数值模拟 [J]. 航空学报, 2009, 30(2): 226-231.

[7]王如根, 郭飞飞, 吴培根, 等. 射流总压和角度对气动喉道控制喷管的影响 [J]. 固体火箭技术, 2013, 36(2): 175-179.

[8]陈廷楠, 王平军, 李军, 等. 应用流体力学 [M]. 北京: 航空工业出版社, 2001.

[9]范志鹏, 徐惊雷, 郭帅. 次流通道对双喉道气动矢量喷管性能的影响研究 [J]. 推进技术, 2014, 35(9): 1174-1180.

收稿日期:2014-12-29

作者简介:李坤(1991-),男,安徽阜阳人,硕士研究生,研究方向:推进系统气动热力工程。

中图分类号:V231.3

文献标志码:A

Simulation of Two-dimensional Nozzle with Fluidic Injection for
Throat Area Control

LI Kun,WANG Rugen,GUO Feifei,HU Jiaguo

(Aeronautics and Astronautics Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

Abstract:In order to analyze the influence of injection total temperature and injection pipe shape on fluid throat area control, numerical simulation was performed on fluid throat control of 2-dimensional convergent-divergent nozzle. Results show that the efficient of throat area control (ETAC) increases gradually along with the increase of injection total temperature; compared the two fluidic nozzles, injection pipe in convergence shape has higher ETAC under lower injection pressure ratio(SPR), while injection pipe in convergence-divergence shape has higher ETAC under higher injection pressure ratio; as SPR increases, ETAC first increases and then decreases; a higher velocity of the injection on injection exit can lead to a higher injection ETAC.

Keywords:2-dimensional nozzle; fluid throat control; injection; numerical simulation