基于雙級二次流射流的流體推力矢量偏轉控制

張鑒予，杜 海，范嘉康，王天宇，王可心，李 婧，胡佳玉

（1.西華大學西華學院,四川 成都 610039；2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室,四川 成都 610039；3.西華大學航空航天學院,四川 成都 610039；4.西華大學電氣與電子信息學院,四川 成都 610039）

流體推力矢量技術(fluidic thrust vectoring，FTV)作為一項在飛行器姿態控制方面極具活力的技術，擁有十分可觀的開發前景[1-2]。其主要特點在于通過流動控制手段控制、改變主流的方向及大小，從而對發動機產生的推力方向進行調整，最終得到飛行器姿態控制所需的力和力矩以實現對飛行器自身姿態的控制。依托流體推力矢量技術，飛行器可以實現其原本無法做到的機動性能，還可以獲得大迎角飛行的能力[3-4]。

相較于傳統的機械式推力矢量技術，流體推力矢量技術具有結構簡單、成本低廉、響應快速等重要優勢[5-7]。目前，流體推力矢量技術在提高航空器的飛行性能、增強軍用航空器生存能力等方面均已有所運用[8-9]，而如何提高流體矢量控制效率、增大流體矢量偏轉角則是目前研究的熱點和難點。

中國民航大學佟川等[10]提出了一種基于Coanda效應的無源流體推力矢量噴管并進行了仿真實驗，結果表明通過外界大氣壓力完全可以實現對主射流的矢量偏射控制。南京航空航天大學龔東升[11]對一種基于微型渦噴發動機熱噴流的無源流體推力矢量噴管的控制規律進行了研究，結果表明該構型噴管可實現主射流連續可控偏轉，最大流動矢量角為-12.3°、12.3°，最大推力矢量角為-12.9°、12.8°，控制規律接近線性且不存在主射流偏轉突跳問題。南京航空航天大學曹永飛等[12]制作了一款基于被動二次流的二元流體式推力矢量噴管并進行射流偏轉比例控制實驗，結果表明改變控制縫入口面積可以達成對主流矢量偏轉的比例控制，最大推力矢量角為19°。

流體推力矢量技術在理論和應用上都有大量的研究[13-15]。由于單級二次流注入后僅能使主流產生一次偏轉，因此無法對主流偏轉產生持久影響。針對這個問題，本文從多次偏轉的設想出發，提出一款雙級流體式推力矢量噴管，通過浮子流量計對二次流的流量進行定量控制，獲得了不同二次流流量吹氣時主流矢量偏轉結果，驗證了采用雙級二次流對主流進行矢量控制的方案，并通過煙流流動測試實驗，研究其對應的流動控制機制。

1 實驗系統與觀測裝置

本研究在西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室的射流式風洞試驗臺進行，整體實驗系統如圖1 所示。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

主流由射流式風洞提供，流量范圍為748～2 617 m3/h。利用變頻器對射流風洞風機轉速進行控制，以達到調節主流流量的目的。二次流由XGB-漩渦氣泵提供，流量范圍為0～330 m3/h。采用浮子流量計調節二次流流量，其量程為1.6～16 m3/h。

煙流觀測系統由低頻激光發生儀、高速動態記錄儀及示蹤粒子發煙機組成。系統工作時，發煙機釋放出藍色氣霧體，主流裹挾氣霧體前進，并在激光光幕上顯現出其流向，隨后利用高速動態記錄儀對煙流進行觀測，待煙流流動基本穩定且持續一段時間后進行拍攝以獲取實驗結果。高速動態記錄儀頻率為15 Hz，單次記錄時間為190 μs，拍攝區域空間為260 mm×320 mm。

2 雙級二次流矢量噴管模型設計

2.1 數值仿真設計

北京航空航天大學的吳盟等[16]、空軍工程大學的徐學邈等[17]以及中國空空導彈研究院的張澤遠等[18]對二次流和主流的夾角與主流矢量偏轉角度之間的關系進行了研究，結果表明在相同二次流總壓條件下，帶一定角度的逆流注入比順流注入對主流偏轉的影響更大，當二次流方向與主流方向夾角呈130°～150°時可以得到13°～18°的主流矢量偏角。因此，為使每級二次流均與主流流向呈135°，本文在設計噴管模型時將第一級二次流角度設置為與軸線呈135°，第一級二次流注入主流會使主流向上偏轉約15°，故將第二級二次流角度設置為與軸線呈110°。

此外，為了在二次流設備可以提供的有限流量條件下獲得盡可能大的體積流量比調整區間，二次流入口尺寸參數最終設定為3 mm×200 mm。利用建模軟件和網格繪制軟件對模型進行制作。為保證網格質量，將面網格最小尺寸設定為 0.25 mm，最大尺寸設定為3 mm，過度比設定為0.272，增長率設定為1.2，邊界層設置兩層，網格繪制數目約為 300 000。邊界條件為：設置主流入口面和4 個二次流入口面為計算輸入，其余面均設置為壁面并抑制固體區域，僅對流體區域進行計算。模型流體域三維體網格如圖2 所示。

圖2 流體域三維體網格圖Fig.2 3D volume grid in fluid domain

利用繪制的體網格通過CFD 仿真模擬軟件分別對單獨1 號控制縫吹氣和單獨2 號控制縫吹氣進行仿真計算，圖3、4 為仿真結果。圖中Qv1/Qv主為1 號控制縫二次流與主流體積流量比，Qv2/Qv主為2 號控制縫二次流與主流體積流量比。由圖可知，主流矢量偏轉角大小隨著二次流與主流體積流量比的增加而增大，基本呈線性變化。

圖3 流體域仿真結果示意圖（上偏）Fig.3 Schematic diagram of fluid domain simulation results(upward deflection)

圖4 流體域仿真結果示意圖（下偏）Fig.4 Schematic diagram of fluid domain simulation results(downward deflection)

2.2 實驗模型設計

本文設計的雙級流體式推力矢量噴管相關參數是在仿真模型參數基礎上細化得到，其由內噴管與擴張段兩個主要部分構成。內噴管出口高h=130 mm，寬w=200 mm，擴張段與水平方向呈30°。噴管設置兩級控制縫，每級控制縫由上下兩道二次流控制縫組成，每道控制縫尺寸為3 mm×200 mm。此外，通過CFD 仿真發現兩級控制縫出口間距小于100 mm 時，二次流氣體會有明顯干擾，間距大于150 mm 時，會因距離過遠而難以保證“接力”的作用效果。因此，設定兩級控制縫出口間距為125 mm。

第一級控制縫位于距內噴管入口50 mm 處，二次流方向與軸線的夾角為135°。第二級控制縫位于距內噴管入口178 mm 處，二次流方向與軸線的夾角為110°。噴管模型參數如圖5、6 所示。

圖5 實驗模型剖視示意圖Fig.5 Schematic diagram of the sectional view of the experimental model

圖6 實驗模型三維示意圖Fig.6 3D schematic diagram of the experimental model

3 單級射流控制下的推力矢量實驗結果

3.1 單級射流控制下的煙流觀測結果

本組實驗為單級射流控制下主流偏轉煙流觀測實驗。在射流式風洞涵道風扇入口處布置示蹤粒子發煙機，實驗開始后示蹤粒子發煙機發生煙霧，主流裹挾煙霧通過噴管模型，同時利用高速動態記錄儀連續進行拍攝并對拍攝的圖片進行偏轉角度標定處理。

首先進行無偏轉實驗。控制主流流量為390 m3/h，1 至4 號控制縫全部保持封閉，觀測證明主流穩定無偏轉，如圖7 所示。

圖7 無偏觀測圖Fig.7 Observation chart of no deflection

然后進行有偏轉實驗。主流流量仍保持為390 m3/h，2、3、4 號控制縫全封閉，僅打開1 號控制縫，通過浮子流量計對1 號控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv1/Qv主）進行動態控制，觀測主流偏轉情況，結果如圖8（a）—（c）所示。

圖8 單級上偏觀測圖Fig.8 Observation chart of single-stage upward deflection

隨后封閉1、3、4 號控制縫，僅打開2 號控制縫，通過浮子流量計對2 號控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv2/Qv主）進行動態控制，觀測主流偏轉情況，結果如圖9（a）—（c）所示。

圖9 單級下偏觀測圖Fig.9 Observation chart of single-stage downward deflection

3.2 單級射流控制下的矢量偏轉規律分析

本組實驗以單級控制縫吹入二次流氣體，其原理在于二次流吹入主流后會繼續貼著噴管壁流動，因此導致二次流控制縫后方區域氣流流速變大，使得該處壓強出現顯著下降，最終使主流上下側出現壓力差，進而導致主流發生偏轉。

本文在模型的關鍵壓強變化區域所對應的上壁面或下壁面處沿垂直方向打孔并安裝測壓管，圖10 為測壓打孔點位分布示意圖。通過DSA3217/16Px 數字傳感器陣列及DSALink4v101 軟件分別在主流上偏和下偏時對各點進行測壓，結果如表1、2 所示，測壓數值為實驗狀態下200 組結果取平均值。由表1 可知上偏轉時1 號控制縫后方點位出現明顯低壓區，由表2 可知下偏轉時2 號控制縫后方點位出現明顯低壓區，此結果與實驗原理相符。

表1 單級上偏測壓結果表Tab.1 Pressure measurement results of single-stage upward deflection

圖10 單級射流控制構型測壓點位圖Fig.10 Pressure measuring point bitmap of single-stage jet control configuration

為進一步研究單級二次流控制規律，保持主流流量為390 m3/h，2、3、4 號控制縫全封閉，1 號控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h逐級遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進行21 次主流偏轉煙流觀測并對煙流觀測結果進行角度標定。圖11 為單獨1 號控制縫控制時主流矢量偏轉角度變化規律示意圖。

圖11 單級上偏煙流測量角度變化圖Fig.11 Variation diagram of measuring angles of singlestage upward deflection smoke flow

隨后，保持主流流量為390 m3/h，1、3、4 號控制縫全封閉，2 號控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h 逐級遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進行21 次主流偏轉煙流觀測并對煙流觀測結果進行角度標定。圖12 為單獨2 號控制縫控制時主流偏轉角度變化規律示意圖。

圖12 單級下偏煙流測量角度變化圖Fig.12 Variation diagram of measuring angles of singlestage downward deflection smoke flow

由圖11、12 可知，上側控制縫可控制主流向上偏轉，下側控制縫可控制主流向下偏轉。此外，隨著二次流吹入氣體與主流體積流量比的提升，主流的矢量偏角增大，在實驗條件下，當Qv1/Qv主=0.021時，得到向上最大偏角為8.9°，當Qv2/Qv主=0.021時，得到向下最大偏角為7.4°。

4 雙級射流控制下的推力矢量實驗結果

4.1 雙級射流控制下的煙流觀測結果

保持1 號控制縫吹入二次流與主流為最優體積流量比（Qv1/Qv主=0.021)，關閉2、4 號控制縫，打開3 號控制縫。通過浮子流量計對3 號控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv3/Qv主）進行動態控制，觀測主流偏轉情況，結果如圖13（a）—（c）所示。

圖13 雙級上偏觀測圖Fig.13 Observation chart of double-stage upward deflection

隨后保持2 號控制縫吹入二次流與主流為最優體積流量比（Qv2/Qv主=0.021)，關閉1、3 號控制縫，打開4 號控制縫。通過浮子流量計對4 號控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv4/Qv主）進行動態控制，觀測主流偏轉情況，結果如圖14（a）—（c）所示。

4.2 雙級射流控制下的矢量偏轉規律分析

本組實驗原理與單級射流控制下的矢量偏轉實驗原理相同。本文在模型的關鍵壓強變化區域所對應的上壁面或下壁面處沿垂直方向打孔并安裝測壓管，圖15 為測壓打孔點位分布示意圖。通過DSA3217/16Px 數字傳感器陣列及DSALink4v101軟件分別在主流上偏和下偏時對各點進行測壓，結果如表3、4 所示，測壓數值為實驗狀態下200 組結果取平均值。由表3 可知上偏轉時1、3 號控制縫后方點位出現明顯低壓區，由表4 可知下偏轉時2、4 號控制縫后方點位出現明顯低壓區，此結果與實驗原理相符。

表3 雙級上偏測壓結果Tab.3 Pressure measurement results of double-stage upward deflection

表4 雙級下偏測壓結果Tab.4 Pressure measurement results of double-stage downward deflection

圖15 雙級射流控制構型測壓點位圖Fig.15 Pressure measuring point bitmap of double-stage jet control configuration

為進一步研究雙級二次流控制規律，保持主流流量為390 m3/h，1 號控制縫吹入二次流與主流為最優體積流量比（Qv1/Qv主=0.021)，2、4 號控制縫全封閉，3 號控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h 逐級遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進行21 次主流偏轉煙流觀測并對煙流觀測結果進行角度標定。圖16 為1、3 號控制縫控制時主流偏轉角度變化規律示意圖。

圖16 雙級上偏煙流測量角度變化圖Fig.16 Variation diagram of measuring angles of doublestage upward deflection smoke flow

保持主流流量為390 m3/h，同時2 號控制縫吹入二次流與主流為最優體積流量比（Qv2/Qv主=0.021)，1、3 號控制縫全封閉，4 號控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h 逐級遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進行21 次主流偏轉煙流觀測并對煙流觀測結果進行角度標定。圖17 為2、4 號控制縫控制時主流偏轉角度變化規律示意圖。

圖17 雙級下偏煙流測量角度變化圖Fig.17 Variation diagram of measuring angles of doublestage downward deflection smoke flow

由圖16、17 可知，在單級控制縫構型偏轉基礎上引入第二級控制縫能夠明顯提高主流偏轉角度。隨著第二級控制縫二次流流量增加，主流偏轉角同步增大，總體呈線性趨勢。在實驗條件下，當Qv1/Qv主=0.021 且Qv3/Qv主=0.021 時，得到向上最大偏角為12.5°，當Qv2/Qv主=0.021 且Qv4/Qv主=0.021 時，得到向下最大偏角為12.0°。

5 結論

本文通過煙流流場顯示實驗，研究了基于雙級二次流射流的流體式推力矢量噴管對主流矢量偏轉角的提升效果，并在雙級二次流吹氣的基礎上研究了施加不同的二次流主流體積流量比時主流的流場特性，得出以下結論。

1）通過在單級控制縫構型偏轉基礎上引入第二級控制縫能夠使主流產生兩次偏轉，從而明顯增大主流偏轉角度。本文在實驗條件下主流所產生的最大上偏轉角為12.5°，最大下偏轉角為12.0°。

2）主流矢量偏轉角會受到二次流與主流體積流量比的影響，從整體來看二次流與主流體積流量比越大主流偏轉角度也越大，二者基本呈線性關系。

根據上述結論，對于流體式矢量噴管，本文在一定程度上證明了雙級二次流射流構型對傳統的單級二次流射流構型存在明顯的加強作用。在相同條件下，雙級二次流構型可以用更小的二次流流量以逐級偏轉的方式得到更大的主流矢量偏轉角度，從而達到“四兩撥千斤”的效果。

本文主要研究了基于雙級二次流射流的流體式推力矢量噴管在低速氣流狀態下對主流偏轉角的加強效果，下一步將在噴管擴張段處設置第三級控制縫并同時運用吹/吸氣控制手段以進一步提升主流矢量偏轉角。