本文關(guān)鍵詞：固定幾何氣動矢量噴管流動機(jī)理及性能評估技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 固定幾何噴管 激波矢量控制 喉部面積控制 紅外輻射 整機(jī)耦合

【摘要】：推力矢量技術(shù)用以提高戰(zhàn)機(jī)的敏捷性、過失速機(jī)動及短距起降等性能,可部分或全部代替氣動舵面進(jìn)行飛行操縱,是第四代及以后戰(zhàn)機(jī)必備的關(guān)鍵技術(shù)之一。固定幾何氣動矢量噴管因比常規(guī)機(jī)械式推力矢量噴管結(jié)構(gòu)更簡單、質(zhì)量更輕、響應(yīng)更快,而成為目前備受關(guān)注的排氣系統(tǒng)方案。本文圍繞高推重比航空發(fā)動機(jī)用大落壓比排氣系統(tǒng),開展固定幾何氣動矢量噴管工作機(jī)制、流動機(jī)理、參數(shù)影響規(guī)律及綜合性能評估技術(shù)研究。1、通過大量數(shù)值模擬和部分模型試驗研究,發(fā)現(xiàn)了激波矢量噴管實現(xiàn)推力矢量的本質(zhì)是橫向射流造成上下壁面壓力的非對稱分布,其流動機(jī)理屬于順壓力梯度下、受限空間內(nèi)的超音速中橫向射流問題；數(shù)值模擬了流場中因流動分離、剪切層等因素造成的不穩(wěn)定特性,其中流動不穩(wěn)定性的主頻約為2.0 kHz及4.0 kHz；分析了各氣動、幾何參數(shù)(包括噴管落壓比NPR、二次流壓比SPR、來流Ma、二次流噴射角度θ及二次流噴射位置Xj等)對激波矢量噴管內(nèi)流特性及推力矢量影響的本質(zhì),并獲得了激波矢量噴管推力動態(tài)響應(yīng)特性。研究表明,改變NPR最大能造成46%的推力矢量性能變化,自由來流Ma數(shù)處于跨音速工況時,推力矢量性能約有16%的降低,調(diào)整θ最大可實現(xiàn)50%的推力矢量性能提升。研究了兩類提高推力矢量效率的方案：插板／激波矢量結(jié)構(gòu)及輔助噴射激波矢量結(jié)構(gòu),并在寬廣的工作范圍內(nèi),實現(xiàn)了推力矢量效率超過2.00/%,推力系數(shù)不低于0.90的目標(biāo)。2、采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法,研究了固定幾何氣動矢量噴管氣動喉部面積控制的工作機(jī)理,得出了氣動喉部面積控制噴管內(nèi)流分布特征；分析了主要?dú)鈩�、幾何參�?shù)對喉部面積控制率的影響規(guī)律,獲得了最有利的二次流噴射位置(Xj=-0.05)及二次流噴射角度(0=-130°)；借助輔助噴射技術(shù),在15%的二次流折合流量比限制下,實現(xiàn)了接近50%的喉部面積控制率；研究了噴管氣動喉部面積建立過程中壓力擾動的傳播,確定了建立穩(wěn)定的氣動喉部面積的時間量級(約為10 ms)及噴管進(jìn)口流量的高低頻率波動(2 kHz和0.4 kHz)。3、基于離散傳遞法,采用C++語言開發(fā)了固定幾何氣動矢量噴管紅外輻射強(qiáng)度評估程序,分離出了壁面及燃?xì)鈱臻g探測點紅外輻射強(qiáng)度的貢獻(xiàn)；研究了低涵道比渦扇發(fā)動機(jī)用激波矢量噴管的紅外輻射特性；得出了內(nèi)涵進(jìn)口及高溫燃?xì)馐怯绊懠げㄊ噶繃姽芗t外輻射強(qiáng)度的關(guān)鍵因素；分析了氣動矢量噴管降低紅外輻射的本質(zhì),即二次流噴射形成的流向渦量加速了燃?xì)獾睦鋮s及組分的擴(kuò)散,在大探測角度下,實現(xiàn)了約58%的紅外輻射強(qiáng)度下降；對比了不同二次流噴口位置(Xj)對紅外輻射特性的影響,研究表明,不同Xj構(gòu)型激波矢量噴管紅外輻射強(qiáng)度的區(qū)別主要集中在大探測角度處,在窄邊及寬邊探測面上、探測角度lαl[400-90°]的區(qū)間內(nèi),Xj=0.516構(gòu)型比Xj=0.688構(gòu)型紅外輻射強(qiáng)度分別約大18%-100%及40%-107%。4、開展了固定幾何氣動矢量噴管與航空發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合特性研究。提出了基于試驗設(shè)計、響應(yīng)面近似建模及部件級發(fā)動機(jī)性能模擬的整機(jī)耦合方法。完成了氣動矢量及氣動喉部面積的近似建模,獲得了影響參數(shù)間的耦合影響關(guān)系,并通過尋優(yōu)方法,在推力系數(shù)及二次流折合流量限制下(Cfg≥0.90,ω(?)≤0.15),分別得到了最優(yōu)的推力矢量角δp。max=19.81°及最大的喉部面積控制率RTAC=54.83%。以壓力、流量等平衡條件為基本約束,分別建立了氣動矢量控制與航空發(fā)動機(jī)的整機(jī)耦合模型、氣動喉部面積控制與航空發(fā)動機(jī)的整機(jī)耦合模型,評估了整機(jī)耦合模型在不同引氣量及不同引氣位置工況下對航空發(fā)動機(jī)共同工作點、固定幾何氣動矢量噴管性能的影響,研究表明,對氣動矢量控制狀態(tài),從風(fēng)扇出口引出15%的二次流時,獲得了16.50°的推力矢量角,同時使得發(fā)動機(jī)推力下降約19%,單位耗油率增加約18.7%；對氣動喉部面積控制工作狀態(tài),從風(fēng)扇出口引出18%的二次流時,獲得了35%的喉部面積控制率,相應(yīng)的發(fā)動機(jī)推力下降約12%,單位耗油率增加約16%。
【關(guān)鍵詞】：固定幾何噴管 激波矢量控制 喉部面積控制 紅外輻射 整機(jī)耦合
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V211
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-29
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 研究進(jìn)展及現(xiàn)狀12-24
• 1.2.1 機(jī)械式推力矢量噴管的研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.2 固定幾何氣動矢量噴管的研究現(xiàn)狀16-24
• 1.3 固定幾何氣動矢量噴管的關(guān)鍵問題24-28
• 1.3.1 固定幾何氣動矢量噴管的流動機(jī)理24-26
• 1.3.2 固定幾何氣動矢量噴管的性能評估26-28
• 1.4 論文主要內(nèi)容28-29
• 第二章 數(shù)值計算方法及驗證29-45
• 2.1 數(shù)值計算方法29-35
• 2.1.1 控制方程29-30
• 2.1.2 湍流模型30-33
• 2.1.3 溫度對物性參數(shù)的影響33-34
• 2.1.4 邊界條件及初始化34-35
• 2.1.5 計算收斂準(zhǔn)則35
• 2.2 典型流動特征數(shù)值驗證35-43
• 2.2.1 二維自由橫向射流驗證35-40
• 2.2.2 受限空間橫向射流驗證40-43
• 2.3 本章小結(jié)43-45
• 第三章 固定幾何氣動矢量噴管數(shù)值模擬及試驗研究45-91
• 3.1 激波矢量噴管的工作機(jī)制、流動機(jī)理及性能參數(shù)定義45-55
• 3.1.1 激波矢量噴管的工作機(jī)制45-46
• 3.1.2 激波矢量噴管的性能參數(shù)及定義46-47
• 3.1.3 激波矢量噴管的流動機(jī)理47-55
• 3.2 氣動參數(shù)對激波矢量噴管性能的影響55-63
• 3.2.1 噴管落壓比對激波矢量噴管推力矢量性能的影響55-57
• 3.2.2 二次流壓比對激波矢量噴管推力矢量性能的影響57-59
• 3.2.3 噴管進(jìn)口總溫對激波矢量噴管推力矢量性能的影響59-60
• 3.2.4 自由來流Ma對激波矢量噴管推力矢量性能的影響60-63
• 3.3 幾何參數(shù)對激波矢量噴管性能的影響63-76
• 3.3.1 二次流噴口面積對激波矢量噴管推力矢量性能的影響63-64
• 3.3.2 二次流噴射角度對激波矢量噴管推力矢量性能的影響64-66
• 3.3.3 二次流噴口相對位置對激波矢量噴管推力矢量性能的影響66-68
• 3.3.4 二次流噴口管無量綱展向長度對激波矢量噴管推力矢量性能的影響68-71
• 3.3.5 多孔噴射對激波矢量噴管推力矢量性能的影響71-73
• 3.3.6 不同噴管類型對推力矢量性能的影響73-76
• 3.4 激波矢量噴管的動態(tài)響應(yīng)特性76-80
• 3.4.1 推力矢量建立過程76-78
• 3.4.2 推力矢量恢復(fù)過程78-80
• 3.5 二元激波矢量噴管試驗研究80-88
• 3.5.1 試驗?zāi)Ｐ�、設(shè)備及試驗步驟80-83
• 3.5.2 試驗結(jié)果83-88
• 3.6 本章小結(jié)88-91
• 第四章 固定幾何氣動矢量噴管改進(jìn)方案研究91-113
• 4.1 插板/激波矢量噴管的流動特征及推力矢量性能91-100
• 4.1.1 插板/激波矢量噴管的結(jié)構(gòu)及基本原理91-93
• 4.1.2 插板高度對插板/激波矢量噴管的影響93-97
• 4.1.3 插板位置對插板/激波矢量噴管的影響97-100
• 4.2 輔助噴射激波矢量噴管的流動特征及推力矢量性能100-111
• 4.2.1 輔助噴射激波矢量噴管的結(jié)構(gòu)及基本原理100-102
• 4.2.2 輔助噴射位置對激波矢量噴管的影響102-106
• 4.2.3 輔助噴射面積對激波矢量噴管的影響106-108
• 4.2.4 輔助噴射角度對激波矢量噴管的影響108-111
• 4.3 本章小結(jié)111-113
• 第五章 固定幾何氣動矢量噴管喉部面積控制研究113-143
• 5.1 氣動喉部面積控制噴管的原理及噴管流動結(jié)構(gòu)113-120
• 5.1.1 氣動喉部面積控制噴管的基本原理及相關(guān)定義113-114
• 5.1.2 氣動喉部面積控制噴管的有限體積分析114-117
• 5.1.3 氣動喉部面積控制噴管的基本流動特性117-120
• 5.2 氣動參數(shù)對喉部面積控制率的影響120-124
• 5.2.1 噴管落壓比對喉部面積控制率的影響120-122
• 5.2.2 二次流壓比對喉部面積控制率的影響122-124
• 5.3 幾何參數(shù)對喉部面積控制率的影響124-130
• 5.3.1 二次流噴口面積對喉部面積控制率的影響124-126
• 5.3.2 二次流噴射位置對喉部面積控制率的影響126-128
• 5.3.3 二次流噴射角度對喉部面積控制率的影響128-130
• 5.4 輔助噴射提高氣動喉部面積控制率的研究130-136
• 5.4.1 帶輔助噴射的流場特性131-133
• 5.4.2 輔助噴射面積對喉部面積控制率的影響133-134
• 5.4.3 輔助噴射角度對喉部面積控制率的影響134-136
• 5.5 氣動喉部面積控制的動態(tài)響應(yīng)特性136-142
• 5.5.1 二次流噴射開啟過程136-140
• 5.5.2 二次流噴射關(guān)閉過程140-142
• 5.6 本章小結(jié)142-143
• 第六章 固定幾何氣動矢量噴管的紅外輻射特性研究143-165
• 6.1 紅外輻射數(shù)值模擬程序JPRL-IR143-153
• 6.1.1 紅外輻射數(shù)值模擬總體方案143-145
• 6.1.2 壁面有效輻射亮度計算145-150
• 6.1.3 氣體輻射特性計算方法及驗證150-152
• 6.1.4 探測點紅外輻射計算152-153
• 6.2 激波矢量噴管的紅外輻射特性153-163
• 6.2.1 激波矢量噴管的流場特性153-155
• 6.2.2 激波矢量噴管的紅外輻射特性155-160
• 6.2.3 二次流噴射對燃?xì)饧t外輻射特性的影響160-162
• 6.2.4 二次流噴射位置對激波矢量噴管的紅外輻射特性影響162-163
• 6.3 本章小結(jié)163-165
• 第七章 固定幾何氣動矢量噴管整機(jī)耦合特性研究165-187
• 7.1 固定幾何氣動矢量噴管整機(jī)匹配方法概述165-166
• 7.2 固定幾何氣動矢量噴管的近似建模166-176
• 7.2.1 近似建模技術(shù)概述166-170
• 7.2.2 推力矢量近似建模170-173
• 7.2.3 喉部面積控制近似建模173-176
• 7.3 帶引氣的航空發(fā)動機(jī)總體建模176-179
• 7.3.1 航空發(fā)動機(jī)共同工作建模176-178
• 7.3.2 壓縮部件引氣模型178-179
• 7.4 推力矢量模型與發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合及評估179-184
• 7.4.1 推力矢量模型與發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合方法179-180
• 7.4.2 推力矢量模型與發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合評估180-184
• 7.5 喉部面積控制模型與發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合及評估184-186
• 7.5.1 喉部面積控制模型與發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合方法184
• 7.5.2 喉部面積控制模型與發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合評估184-186
• 7.6 本章小結(jié)186-187
• 第八章 結(jié)論與展望187-191
• 8.1 主要研究結(jié)論187-188
• 8.2 主要創(chuàng)新點188-189
• 8.3 后續(xù)可進(jìn)行的工作189-191
• 參考文獻(xiàn)191-201
• 致謝201-203
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文及其他成果203-204

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 宋亞飛;高峰;馬岑睿;文科;;激波誘導(dǎo)矢量噴管內(nèi)流場動態(tài)特性數(shù)值研究[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報;2013年01期

2 王慶偉;劉波;王如根;;二元噴管氣動喉道控制的數(shù)值模擬[J];航空學(xué)報;2009年02期

3 王永菲,王成國;響應(yīng)面法的理論與應(yīng)用[J];中央民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2005年03期

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本文編號：891475