二元噴管氣動喉道控制性能的仿真研究*

李　坤,王如根,郭飛飛,胡加國

(空軍工程大學航空航天工程學院,西安　710038)

二元噴管氣動喉道控制性能的仿真研究*

李坤,王如根,郭飛飛,胡加國

(空軍工程大學航空航天工程學院,西安710038)

摘要:為了研究射流總溫與射流通道結構對噴管喉道面積控制的影響規律,文中對二元收擴噴管的氣動喉道控制進行數值模擬,研究結果表明:增大射流總溫能使喉道面積控制效率增大;對比兩種采用不同射流通道的氣動噴管,在低射流總壓比下采用收斂型射流通道的噴管喉道面積控制效率較高,在高射流總壓比下采用收擴型射流通道的噴管喉道面積控制效率較高;射流總壓比增大喉道面積控制效率先增大后減小;由此歸納出射流速度增大能明顯提高射流的喉道面積控制效率。

關鍵詞:二元噴管;氣動喉道控制;射流通道;數值仿真

0引言

現代飛行器控制無論是固體火箭發動機的推力隨控技術還是復燃加力渦扇發動機的加力控制技術都可以通過改變噴管喉道面積實現對發動機的控制調節[1]。固定噴管通過在喉道附近對稱注入控制射流阻塞噴管主流實現噴管有效喉道面積的控制,具有結構簡單、可靠性和維修性較好等優點,引起國內外廣泛關注,并已開展了部分試驗和仿真研究[1-7],而這些研究中并未細致研究射流總溫與射流通道結構對噴管喉道面積控制的影響規律。為進一步研究氣動噴管喉道面積控制的特性規律,文中對幾何固定的二元收擴噴管進行氣動喉道控制數值模擬,分析了射流總溫與射流通道結構對噴管喉道面積控制的影響。

1模型與數值模擬方法

1.1　噴管幾何模型

二元噴管模型如圖1所示,噴管收斂段與喉道采用圓弧過渡。噴管出口面積與噴管喉道面積之比為1.25,對應噴管設計落壓比為4.25,具體幾何參數如圖1所示。在噴管喉道附近對稱注入射流,射流通道為收斂型(基準型),通道最小寬度d=1.0 mm,根據已有結果射流與主流相逆時氣動噴管的喉道面積控制效果較好[7],文中研究射流夾角α為135°的射流控制方案,射流通道出口起始于噴管喉道。

圖1　噴管模型

1.2　數值仿真方法

文中使用CFD軟件對二元噴管模型的內外流場進行仿真,采用時間推進的有限體積法進行數值計算,控制方程為一般曲線坐標系下強守恒形式的N-S方程,為提高收斂速度和求解精度,離散格式選用隱式二階迎風格式。湍流模型采用RNGk-ε模型,使用標準壁面函數。

使用分區結構網格對計算網格進行劃分,為提高計算的精度,在壁面和喉道附近進行網格加密,由于模型的對稱性,只對1/2噴管進行網格劃分和數值模擬,噴管附近計算網格如圖2所示。噴管進口和射流進口均設置為壓力入口,給定進口氣流總壓總溫;對稱面設置為對稱條件;外流入口設置為壓力遠場邊界,外流出口設置為壓力出口邊界,為標準大氣參數;噴管壁面設置為無滑移絕熱條件。

圖2　噴管附近計算網格圖

2計算結果分析

文中使用喉道面積控制范圍RTAC(range of throat area control)和喉道面積控制效率ETAC(efficient of throat area control)對射流的控制效果進行分析[7]。其中:

(1)

RTAC用以評估射流對噴管有效喉道面積的控制效果,Anojet為無射流時的有效喉道面積;Ajet為有射流時的有效喉道面積。

(2)

2.1　射流總溫的影響

圖3　射流進氣總溫對氣動喉道控制性能的影響

由圖3(c)還可以看出,在保持噴管射流總溫和射流總壓比不變的條件下,噴管落壓比對射流的喉道面積控制效率沒有明顯的影響。

圖4　噴管射流附近流場馬赫分布(NPR=4.25)

由以上結果可知,提高射流總溫(進而增大射流的出口速度)是提高射流喉道面積控制效率的有效手段。

2.2　射流通道的影響

由前節分析可知提高射流的出口速度對提高射流的控制效率具有明顯作用,而射流的通道形式對形成不同的射流出口速度具一定作用[8-9],本節對具有不同射流通道結構的氣動噴管進行研究,進一步研究射流速度對喉道面積控制效率的影響規律。圖5給出了兩種射流通道結構,保持射流通道最小寬度d相等,其中(a)為收斂型射流通道;(b)為收擴型射流通道,擴散段面積比(di/d)為1.165,擴張角β為2.86°。

圖5　射流通道結構

由圖6可以看出:在SPR增大至1.25時射流通道最小截面已處于臨界狀態(如圖8),兩種噴管的射流相對流量隨射流總壓比的增大而增大,且基本呈線性變化規律,射流的喉道面積控制范圍也增大;喉道面積控制效率則隨射流總壓比的增大出現先增大后減小的變化趨勢,結合射流出口平均速度的變化規律(如圖7),射流出口速度隨射流總壓比增大先增大后基本保持不變,射流出口速度增大使射流對主流的沖擊能力增強,喉道面積控制效率因此增大,而當射流出口速度不隨射流總壓比增大而變化時,射流流量卻繼續增大,喉道面積控制效率因此有所降低。

圖6　不同射流總比條件下射流控制效果對比

同時,相同射流總壓比條件下對比兩種氣動噴管喉道面積控制效率發現:在射流總壓比較高的條件下(SPR>1.75),采用收擴型射流通道的氣動噴管喉道面積控制效率較高,而在射流總壓比較低的條件下(SPR<1.75),采用收斂型射流通道的氣動噴管喉道面積控制效率較高。主要原因是在相同射流總壓條件下,不同結構射流通道內的氣流流動情況不同,射流出口速度不同。如在射流總壓比較低的條件下(SPR=1.25),收斂型射流通道內氣流處于近臨界膨脹狀態,在射流內出口已達聲速,氣流在內出口外繼續膨脹加速,射流出口速度較高,如圖8(a)和圖8(b)所示;而此條件下收擴型射流通道內氣流處于過度膨脹狀態,射流流經最小寬度截面后加速至超聲速,在擴散通道內出現激波,使射流速度急劇降低,且在擴散通道出口形成較大分離區,進一步降低了射流出口速度。因此,在射流總壓比SPR=1.25條件下收擴型射流通道的喉道面積控制效率較低。在高射流總壓比條件下(SPR=2.25),收擴型射流通道可以使氣流速度進一步增大,射流的喉道面積控制效率因此較高,圖8(c)和圖8(d)所示。

圖7　不同射流總壓比條件下射流出口速度

圖8　不同射流總壓比下射流附近流場馬赫分布(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積控制效率;2)在高射流總壓比條件下噴管采用適當擴散段面積比的收擴型射流通道具有較高的喉道面積控制效率和喉道面積控制范圍,而在低射流總壓比條件下采用收斂型射流通道較好。

3結論

文中對不同射流總溫和采用不同射流通道結構的氣動噴管喉道面積控制進行數值模擬,研究表明:

1)增加射流總溫可以提高射流出口速度,增大對主流的阻滯作用,同時減少射流流量。因此,增加射流總溫可以提高噴管的喉道面積控制效率。

2)不同射流通道結構的噴管喉道面積控制效果優劣與射流總壓比有關。低射流總壓比的條件下,采用收斂型射流通道的氣動噴管具有較高的喉道面積控制效率;在高射流總壓比條件下,收擴型射流通道的喉道面積控制效率較高。因此,射流通道應根據射流與主流的總壓比大小設計合適的幾何結構。

3)在所有情況下,氣動噴管的喉道面積控制效率與射流的出口速度正相關。

參考文獻:

[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.

[3]Federspiel J F, Bangert L S. Fluidic control of nozzle flow some performance measurements,AIAA 95-2605 [R]. 1995.

[4]額日其太, 李喜善, 王強. 軸對稱噴管喉道面積射流控制數值模擬研究 [J]. 推進技術, 2010, 31(3): 361-365.

[5]鄒欣華, 王強. 帶喉道注氣的軸對稱收擴噴管內流場計算研究 [J]. 航空動力學報, 2009, 24(9): 2078-2084.

[6]王慶偉, 劉波, 王如根. 二元噴管氣動喉道控制的數值模擬 [J]. 航空學報, 2009, 30(2): 226-231.

[7]王如根, 郭飛飛, 吳培根, 等. 射流總壓和角度對氣動喉道控制噴管的影響 [J]. 固體火箭技術, 2013, 36(2): 175-179.

[8]陳廷楠, 王平軍, 李軍, 等. 應用流體力學 [M]. 北京: 航空工業出版社, 2001.

[9]范志鵬, 徐驚雷, 郭帥. 次流通道對雙喉道氣動矢量噴管性能的影響研究 [J]. 推進技術, 2014, 35(9): 1174-1180.

收稿日期:2014-12-29

作者簡介:李坤(1991-),男,安徽阜陽人,碩士研究生,研究方向:推進系統氣動熱力工程。

中圖分類號:V231.3

文獻標志碼: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