单膨胀斜面喷管型面设计及其流动控制研究

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高超声速飞行器及其推进系统是目前国际上航空航天大国竞相研究与开发的热点,从飞行器/推进系统一体化的角度考虑,大膨胀比单膨胀斜面喷管是最理想的排气系统,它引起了国内外越来越多的重视。本文基于特征线法和CFD技术,针对此类喷管开展了型面设计和流动控制研究。 首先,采用特征线法及附面层修正技术完成了单膨胀斜面喷管扩张段型面设计。采用维托辛斯基公式完成了喷管收缩段型面设计。采用超椭圆方程过渡技术完成了圆转方形式的转接段设计。在得到各部分型面的基础上,将各段进行合理的连接,完成单膨胀斜面喷管型面设计。 其次,基于CFD技术数值模拟了设计状态和沿飞行轨迹非设计状态下单膨胀斜面喷管内外流场,计算了喷管在各种飞行状态下的性能参数,并对喷管的综合性能变化规律进行了分析。为提高非设计状态下喷管的性能,研究了喷管几何参数变化对喷管流场和性能的影响,确定了沿飞行轨迹的喷管几何调节方案。 最后,研究了利用二次流喷射的流动控制技术提高单膨胀斜面喷管过膨胀状态下综合性能。数值模拟了二次流喷射条件下喷管的二维和三维流场,分析了在一定的落压比范围内二次流喷射流量、喷射总压、喷射角度、喷射位置、喷口形式以及外流马赫数对喷管过膨胀状态下流场结构和性能的影响。结果表明:(1)在喷管下斜板进行二次流喷射可以改善喷管过膨胀状态下的性能。(2)数值模拟所得的流场结构与文献给出的典型扰流流场相似。(3)随着落压比的增加,二次流对喷管性能的影响减弱。(4)喷射流量和喷射角度是影响喷管性能的重要参数,并存在最优的喷射流量值和喷射角度值;喷射总压和喷口形式对喷管性能影响较小;喷射位置可以在喷管下斜板一定的范围内选取;亚音速外流条件下喷管性能的改善程度较大。
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