一種新型雙喉道射流矢量噴管的工作特性研究

姬俊威 呂增亮

(中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任公司,遼寧沈陽 110043)

一種新型雙喉道射流矢量噴管的工作特性研究

姬俊威 呂增亮

(中航工業沈陽黎明航空發動機有限責任公司,遼寧沈陽 110043)

推力矢量概念的引入使現代戰斗機獲益匪淺,增強了敏捷性和機動性,允許飛機作過失速機動,提升了在近距格斗中的戰術優勢,改善了所有飛行條件下的控制效率,減少了對水平和垂直尾翼的依賴,從而降低與之相關的阻力和雷達反射截面,進一步提高了超視距戰斗能力,改進了短距起落能力等。推力矢量技術被認為是第四代戰斗機和先進無人作戰飛機的必備技術。

新型雙喉道射流矢量噴管 擴張段 開縫

1 引言

由于射流矢量噴管的幾何固定,以及在與后機身融合方面相對于機械方式有一定優越性,所以射流矢量噴管是現代技術發展的必然。本文對一種新型雙喉道射流矢量噴管進行了數值模擬研究,分析了此新型二元雙喉道射流矢量噴管的流動結構及性能特征,繼而探索了擴張開縫方案對其推力矢量性能的改善作用,獲得了擴張開縫方案設計規律。研究結果表明,新型噴管的擴張段能顯著提高矢量角,但是卻導致了一定的推力損失。研究中所采用的擴張段開縫措施能顯著改善推力的損失,且改善幅度隨著開縫率的增加以及開縫數的增加而增加,研究還發現,離下游喉道近的縫對噴管的推力矢量性能正面影響較大;平均縫寬相等的情況下,縫寬等差減小時噴管的性能優于等縫寬,縫寬等差增大性能最差;開縫角為35度左右時噴管性能最佳;當開縫數減少,縫的位置前移時,噴管矢量角增大,而推力系數略有降低。

2 推力矢量的研究分析

推力矢量的產生主要包括傳統的機械方法和目前正處于研究的射流矢量法。由于射流矢量噴管幾何固定,結構簡單,有利于減輕發動機重量和進行維修,并且在與后機身融合方面與機械方式相比有較大優越性,因此目前國內外都加大了對射流矢量噴管的研究投入。

根據應用射流產生推力矢量方式的不同,目前的射流推力矢量技術主要基于三種方法：激波矢量控制法、喉道偏斜方法、逆流方法。其中比較熱門的是NASA LaRC提出的基于“喉道偏斜法”理論的“雙喉道射流矢量噴管”。雙喉道射流矢量噴管在噴管進口和出口都有一喉道,喉道間為空腔,通過在上游喉道處注入射流使主流在空腔中發生偏轉,主流在流出噴口時與水平面產生夾角,從而產生了推力矢量。但此方法獲得的最佳設計方案是以2.55%的次流消耗率獲得14.34的矢量角,且推力系數為0.967,矢量效率為5.63。但是15%左右的矢量角還遠遠滿足不了實際應用的需求,為此需要采取一些新的方法來解決矢量角距離實際應用偏小這一問題。

為了解決矢量角偏小的問題,本文在雙喉道射流矢量噴管后加了擴張段,主要分析它內部流動機理。當下縫注入二次流時,偏轉氣流在擴張段下板面產生附壁效應,當擴張段擴張角合適,主流沿著擴張段下板面流動,矢量角增大,即擴張段的存在,可以顯著增大矢量角。

本文所討論的二元新型雙喉道射流矢量噴管是上下完全對稱的,所以本文數值模擬研究中均采用下縫注入次流的方式。在外流Ma為0.05下,對新型二元雙喉道射流矢量噴管進行了初步數值模擬研究,以了解其流動結構和性能特征,進而對噴管擴張段開縫的設計問題進行了初步的探索。研究工作主要分為兩個部分。第一：對新型二元雙喉道射流矢量噴管下縫注入射流的流動進行數值模擬,分析其內流流動特性和性能。第二：對擴張段采用開縫方案設計,研究開縫對噴管流動結構和性能的影響,并主要針對擴張段的開縫率、開縫角、縫寬以及開縫數與位置這些參數進行系統研究,比較這些參數變化對噴管性能的影響,得到這些參數的設計規律。

通過上述兩個方面的研究工作,主要得到以下結論：第一,增加擴張段對噴管矢量角有改善作用,但是擴張段也對射流矢量噴管的性能帶來一些不利影響,導致了推力系數的急劇下降;第二,擴張段開縫,通過外界氣流在壓差作用下自動填充擴張段,抑制了出口氣流的過膨脹,減少了推力損失,提高了推力系數;第三,開縫率的增大對于噴管的推力系數有一定改善作用,但會造成矢量角的降低,離下游喉道近的縫,對噴管矢量性能的正面影響較大,平均縫寬相等的情況下,縫寬等差減小時噴管的性能優于等縫寬,縫寬等差增大性能最差,當開縫角為35度左右時噴管性能最佳;第四,當開縫數減少,且縫的位置前移時,噴管的矢量角增大,而推力系數略有降低。第五,在擴張段前半部分開縫不會引起附面層分離點大幅前移,矢量角變化不大,并且還能提高推力系數,而在擴張段后半部分開縫時會導致附面層分離點大幅前移,矢量角急劇下降,不過可以大幅提高推力系數,即離下游喉道近的縫對噴管性能正面影響較大,而離噴口近的縫能顯著提高推力系數,但是也造成矢量角大幅下降。

3 結語

由于研究時間較短,所做工作僅是圍繞二維狀態展開的,可以對三維狀態進行研究,以提高數據的使用性。如有實驗條件,應該進行實驗研究,驗證數值模擬所得數據是否正確。在開縫研究方案中,本文選取的計算點不多,僅對其發展趨勢作了分析,因此可以多設置一些計算點,使獲得的設計規律更加可靠。

[1]譚慧俊等.二元雙喉道射流推力矢量噴管的數值模擬研究.航空動力學報,2007年10月.

[2]陳智.雙喉道射流矢量噴管的設計規律及與后機身的一體化問題.南京航空航天大學碩士學位論文,2007年3月.