二元收擴噴管氣動方案優化設計

寧懷松，張志學，邵萬仁，鄧洪偉

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

二元收擴噴管氣動方案優化設計

寧懷松，張志學，邵萬仁，鄧洪偉

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

為掌握二元收擴噴管氣動特性和設計方法，通過數值模擬方法對采用超橢圓方程進行圓轉方過渡的小寬高比二元收擴噴管進行研究。計算分析了喉道寬高比、圓轉方段長度、收斂調節片長度及擴張調節片長度4個參數對二元收擴噴管氣動性能的影響，通過對上述4個參數的優化得出了綜合性能較優的二元收擴噴管氣動方案。研究結果表明：經過適當優化，二元收擴噴管能夠滿足工程應用要求，同時，鑒于其在隱身和矢量推進等方面的優勢，有必要對其開展更加深入地研究。

二元收擴噴管；圓轉方段長度；喉道寬高比；優化設計；航空發動機

0 引言

二元收擴噴管是指噴管收斂段和擴張段截面為矩形的1種非軸對稱噴管，通常由圓轉方過渡段、側壁、上下調節片和作動系統等組成[1]。二元收擴噴管結構簡單，可以方便地實現矢量推進，而且還易于與飛機后機身實現一體化設計，可減小尾部阻力，從而實現飛機的不開加力超聲速巡航；同時，相比軸對稱矢量噴管，二元收擴噴管便于采用冷卻和修形措施，有利于提高發動機的隱身能力，是新一代發動機理想的選型噴管。

本文研究采用超橢圓方程進行圓轉方過渡[2-6]的二元收擴噴管設計方法，并通過數值模擬方法研究喉道寬高比、圓轉方段長度、收斂調節片長度及擴張調節片長度對二元收擴噴管氣動性能的影響。

1 氣動方案設計

二元收擴噴管由圓轉方段、收斂段和擴張段3部分組成，如圖1所示，其中圓轉方段采用超橢圓方程設計，通過編程實現型面設計，收斂段和擴張段的側壁是平直的，即兩段的寬度相等，通過調節上下對稱的收斂調節片、擴張調節片實現流路的變化。

2 氣動性能計算方法

圖1 二元收擴噴管

采用數值模擬方法對不同流路參數時二元收擴噴管的氣動性能進行了計算分析[7-10]。由于二元收擴噴管在高度方向和寬度方向上同時具有面對稱性，計算時只需選取噴管的1/4即可。計算模型的網格劃分如圖2所示，由于圓轉方段流路較為復雜，所以采用非結構化網格，收斂段和擴張段則采用結構化網格，并在壁面附近作了加密處理。計算時采用耦合—隱式求解方法，選用了可信度和精度較高且較為常用的RNGκ-ε模型。邊界條件設定如下：噴管進口采用壓力進口條件，給定進口氣流總壓、總溫等參數；噴管出口采用壓力出口邊界條件，給定總壓、總溫；2個對稱面設置為面對稱邊界條件。

圖2 二元收擴噴管網格劃分

3 影響氣動性能的主要參數

影響二元收擴噴管性能的因素很多，確定了主要影響因素，才能對其氣動方案進行有效的優化設計。主要考慮喉道寬高比（AR）、圓轉方段長度（L）、收斂調節片長度和擴張調節片長度4個方面因素的影響。

喉道寬高比無論在氣動性能還是結構尺寸及質量上都對于飛機和發動機有直接影響，同時還影響發動機排氣系統的紅外輻射特性[11]，需要慎重選擇，選取 AR=2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.4、3.8、4.2 等共 8 個喉道寬高比進行優化。

圓轉方段長度主要影響發動機的重量和氣動性能，二者需要折中考慮。一般用圓轉方段長度L與其進口圓直徑D的比值L/D對圓轉方段長度的影響進行分析，參考文獻[12]中建議：當寬高比為2～3時，L/D可以取得小一點，在0.3～0.4之間。由于戰斗機發動機所采用的二元收擴噴管寬高比一般較小，按照寬高比2～3選取相應的L/D，所選取的圓轉方段長度以 L1 為基準，分別為（L1-100）、（L1-50）、（L1，L1+50）、（L1+100）mm。

收斂調節片長度和擴張調節片長度的變化會使噴管收斂角和擴張角發生變化，前者主要影響噴管的流量系數，后者則主要影響噴管的推力系數[13]。所選取的收斂調節片長度以L2為基準，分別為（L2-25）、（L2-15）、L2、（L2+15）、（L2+35）mm；擴張調節片長度以 L3 為 基 準 ， 分 別 為 （L3-50）、L3、（L3+50）、（L3+100）mm。

4 氣動方案優化

在地面臺架中間狀態（落壓比4）對噴管喉道寬高比（AR）、圓轉方段長度（L）、收斂調節片長度等3個參數進行了優化，由于擴張調節片長度的影響在噴管落壓比較大時方能體現，因此，選擇高空巡航狀態（落壓比14）對其進行優化。

4.1 喉道寬高比的影響

二元收擴噴管總壓恢復系數、推力系數及流量系數隨喉道寬高比的變化趨勢如圖3～5所示。可見，隨著喉道寬高比的增加，總壓恢復系數升高；推力系數則略有變化，在0.976～0.98之間，最大值和最小值相差不到4‰；流量系數從0.928增加為0.9519，相對增加量為2.57%，變化較大。

圖3 總壓恢復系數隨喉道寬高比的變化

圖4 推力系數隨喉道寬高比的變化

圖5 流量系數隨喉道寬高比的變化

喉道寬高比從2.2增加到2.6時，噴管收斂角迅速變小，同時擴張角也變小，前者使流量系數增加，后者使速度系數和角向流系數增加，并且兩者對噴管性能的變化起到了主要因素，使噴管出口速度和靜壓都有所上升，從而在寬高比2.5左右，噴管推力系數達到最大值；之后，隨著寬高比的增加，圓轉方段內流場趨于惡化，同時噴管濕周長增加，導致損失增加，推力系數下降；流量系數主要取決于噴管的氣動喉道面積，隨著喉道寬高比的增加，噴管收斂角不斷變小，氣動喉道面積逐漸變大，從而流量系數不斷增加。

4.2 圓轉方段長度的影響

在不同長度下，二元收擴噴管推力系數、總壓恢復系數及流量系數隨喉道寬高比的變化趨勢如圖6～8所示。由計算結果來看，噴管的總壓恢復系數、推力系數和流量系數均隨圓轉方段長度的增加略微有所升高，但變化量都很小，以喉道寬高比2.4的算例為例分析如下：（1）總壓恢復系數，在L=L1-100時最小，為 0.9615，在 L=L1+100時最大，為 0.9624，最大值相對最小值的相對增加量為0.93‰；（2）推力系數，在 L=L1-100時最小，為 0.9792，在 L=L1+100時最大，為0.9796，最大值相對最小值的相對增加量為0.48‰；（3）流量系數，在 L=L1-100 時最小，為 0.932，在L=L1+100時最大，為0.9329，最大值相對最小值的相對增加量為0.96‰，可認為基本不變。

圖6 總壓恢復系數隨圓轉方段長度的變化

圖7 推力系數隨圓轉方段長度的變化

圖8 流量系數隨圓轉方段長度的變化

可見，3個參數隨圓轉方段長度的增加均增加，但變化都很小，均不到1‰，表明圓轉方長度的增加雖然可以使流場更加有序，局部損失降低，但由于氣流與壁面接觸面積的同步增加，壁面摩擦損失增加，從而導致圓轉方段長度對噴管性能沒有明顯的收益，這與文獻[4]中的相關結論是一致的。

4.3 收斂調節片長度的影響

收斂調節片長度的變化對二元收擴噴管氣動性能的影響如圖9所示。從圖9中可知，收斂調節片長度的變化主要影響噴管的流量系數，噴管的流量系數隨收斂調節片的長度增加而增大。收斂調節片長度增加時，噴管的性能有所提升，但同時其重量也有所增加，選擇時應綜合考慮。

圖9 噴管性能參數隨收斂調節片長度的變化

4.4 擴張調節片長度的影響

擴張調節片長度的變化對二元收擴噴管氣動性能的影響如圖10所示。從圖10中可知，隨著擴張調節片長度的增加，噴管擴張角變小，推力系數增加；但由于流路長度和面積增加，壁面摩擦損失增加，總壓恢復系數下降；流量系數則先增后降。選擇擴張調節片長度時亦應綜合噴管性能、質量等因素折中考慮。

圖10 噴管性能參數隨擴張調節片長度的變化

4.5 優化結果

通過以上優化計算及分析，綜合考慮各因素的影響，優化所得二元收擴噴管的喉道寬高比為2.4，圓轉方段長度為L1，收斂調節片長度為L2，擴張調節片長度為L3。該方案的二元收擴噴管在地面臺架中間狀態時推力系數為0.9796，總壓恢復系數為0.9620，流量系數為0.9326；在高空巡航狀態時推力系數為0.9724，總壓恢復系數為0.9566，流量系數為0.9356。

5 結論及建議

（1）影響二元收擴噴管氣動性能的參數較多，不同的參數組合形式不但直接影響其氣動性能，還會對其隱身等性能產生影響，因此必須綜合考慮各方面的需求并進行合理的折中。

（2）數值模擬方法僅能得到一般規律，尚需開展相關試驗以便獲得更加準確的二元收擴噴管設計方法。

（3）二元收擴噴管易于實現矢量推進[14-16]，且在隱身方面具有較大的潛力，建議從氣動、結構、隱身三方面綜合對二元收擴噴管進行更加深入的研究。

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Internal Performance Optim ization of 2D-CD Nozzle

N ING Huai-song,ZHANG Zhi-xue,SHAO W an-ren,DENG Hong-wei
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

To master internal performance and design method of 2D-CD nozzle,the internal performance of 2D-CD nozzle was investigated by numerical simulationmethod.The effects of nozzle parameters such as throataspect ratio,flaps length and the circular-torectangular transition duct length were calculated and analyzed.The internal performance projectof 2D-CD nozzle of better comprehensive propertieswas obtained by optimization of four parameters.The resuls show that 2D-CD nozzle canmeet engineering application through proper optimization,and the deep investigation is necessary for advantages in thrustvectoring and stealth.

2D-CD nozzle；circular-to-rectangular transition duct length；throataspect ratio；optimization；aeroengine

V228.7+4

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.011

2012-10-01 基金項目：航空動力基礎研究項目資助

寧懷松（1986），男，工程師，主要從事航空發動機矢量噴管設計及隱身技術研究工作；E-mail:ninghuaisong@126.com。

寧懷松，張志學，邵萬仁，等.二元收擴噴管氣動方案優化設計[J].航空發動機，2014,40（3）:52-55.NING Huaisong,ZHANG Zhixue,SHAOWanren,etal.Internal performance optimization of 2D-CD nozzle[J].Aeroengine,2014,40（3）：52-55.