双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟研究

西北工业大学学报

JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityDec.2009Vol.27No.6

双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟研究

张　强,杨　永,李喜乐

(西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国防科技重点实验室,陕西西安710072)

摘　要:文章利用数值模拟手段,对双喉道射流推力矢量喷管展开研究,探讨了双喉道喷管产生推力矢量的原理,通过与实验的比较,验证了采用数值算法进行射流推力矢量研究的可行性,并在多个主喷流压比NPR=2、4、7下,系统考察了次流注入角度、空腔收敛角、上游喉道高度等喷管设计参数对其性能的影响,利用这些设计变量的参数化研究得出的规律,确定了一个相对较优的双喉道喷管参数

组合方案:l=216hdt,hut=0196hdt,θ=10°,θ,<=130°,在NPR=4,3%次流注入量时,该12=40°方案喷管产生的推力矢量偏角是14165°,矢量效率是98185%。关　键　词:双喉道喷管,射流推力矢量,主喷流压比NPR,矢量效率

中图分类号:V21113　　　文献标识码:A　　　文章编号:100022758(2009)06207206　　在过去的十几年中,针对排气喷管推力矢量的研究,根据其产生的机理,主要分为3类,激波控制、声速面偏斜控制和反流推力矢量控制。激波控制可以产生较大的推力矢量偏角,但由于主流通过激波,伴随着较大的推力损失,例如在文献[1]中得到了最大1713°的推力矢量偏角,推力系数在0184～0190范围,推力矢量效率在118°～310°每1%次流流量之间,而声速面偏斜控制喷管由于流动通过激波的损失较小,可以提供较大的系统推力,例如在文献[2]中所研究的喷管,给出的推力系数介于01945～01975之间,推力矢量效率在210°～319°每1%次流流量范围内。

双喉道射流推力矢量喷管也是NASALaRC于2003年提出的一种新的复合射流推力矢量喷管技术,这种喷管的几何模型的介绍可以参考文献[3,4],文献中所研究的双喉道喷管产生推力矢量的效率4°～6°每%次流流量,而次流引入导致的推力系数下降甚微,仍然保持在大约01975～01980之间。初步的研究表明,双喉道喷管在获得高推力系数的同时,实现了高矢量效率,同时具有激波控制和声速面偏斜控制两方面的优点。因而具有光明的应用前景。

1　双喉道喷管的模型

二元双喉道喷管射流矢量喷管的几何模型所涉及到的设计变量主要有:上游喉道高度hut、空腔长度l、空腔扩张角θ空腔收敛角θ次流注入角度1、2、<、次流注入缝宽hs等。

为了获得具有高性能的双喉道射流推力矢量喷管,本文在文献[3～5]中所采用的参数化研究方法的基础上,在更多NPR下,对双喉道喷管的设计变量进行了参数化研究,获得了各设计变量对喷管性能及内部流态的影响规律,最终确定一个相对较优的参数组合。双喉道喷管各主要参数的设计过程中,各设计变量的取值范围为:上游喉道高度018～112hdt,空腔长度018～512hdt,空腔扩张角为5°～30°,空腔收敛角为15°～40°,次流注入角50°～150°,次流注入缝的宽度固定为1174%hdt。

2　网格划分及所用的主要计算方法

计算区域的选取如图1所示,从喷管出口截面向下游延伸大于100hdt,向前延伸大于30hdt,向两侧延伸大于50hdt,生成网格时,计算区域被分为5个子

收稿日期:2008209210

作者简介:张　强(1977-),西北工业大学博士研究生,主要从事计算流体力学研究。

第6期张　强等:双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟研究755

区,各子区网格单独生成后进行点对点对接,在主、次喷管以及外部箱体的上、下壁面进行了网格加密,

第1层网格离开壁面的距离约为1×10-5,y+≈112,网格单元数目约为514×10,图1还给出了主、次喷管内部及附近流动区域的网格放大图。

4

场进行了数值模拟。静压固定为标准海平面大气压,总温固定为300K。通过调整次/主流的压比SPR控

制进入主喷管的流量,在本文的所有计算中取SPR

=114～1155。

3　数值计算方法的验证

利用文献[6]实验结果对所采用的数值算法进行了验证,在NPR=4,3%次流注入时,实验给出的矢量偏角,矢量效率及推力系数分别为:δ,p=1117°η=319°每1%次流流量,Cf,g=01963,而数值模拟给出的计算结果分别为:δ=1113°,η=3172°每p1%次流流量,Cf,g=01971,均符合的比较好。图2是NPR=2时,3%次流注入时的实验和数值模拟所得到的主喷管上下壁面的静压曲线,在上

图1　数值计算域及主次喷管局部网格图

壁面上游喉道处,数值计算给出的激波位置稍微靠后,在下壁面喷管出口位置数值模拟的压力稍偏高,

但总体上,数值模拟给出的喷管上、下壁面的净压分布与实验值吻合良好。图3是在不同NPR下,3%次流注入时矢量喷管性能参数:推力系数、矢量效率计算值与实验值的比较,且与实验值吻合较好。所有这些数值计算的结果都表明,本文的数值模拟方法具有较高的精度,可以用来开展射流推力矢量喷管的研究工作。

假定双喉道喷管内外流动是定常的,通过求解SA湍流模型封闭的RANS方程,模拟了喷管的内外流场。RANS流动控制方程的无粘项采用Roe-FDS格式,粘性项采用中心差分,湍流模型的空间项离散也采用二阶迎风格式,流动主控方程和湍流模型的控制方程均采用近似因子隐式时间推进,以提高数值计算效率和稳定性。

对主喷流压比NPR=2、4、7时的喷管内外流

图2　NPR=2时主喷管上下壁面静压

计算和实验结果的对比

图3　不同NPR下喷管推力系数和矢量效率,

数值计算和实验结果的对比

对双喉道射流矢量喷管的主要设计参数:次流

4　双喉道喷管几何参数的确定

注入角度<、空腔长度l、空腔扩张角θ空腔收敛角1、θ、2上游喉道高度hut等5个量进行了规律性研究,参

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数变化均是在基准方案l=216hdt,hut=110hdt,θ1

=10°,θ2=20°,<=150°上进行的。在确定喷管的设计参数的取值范围时,主要的判定依据是推力系数和矢量效率2个性能参数,其次是根据流量系数和矢量偏角。

采用本文的数值方法,在不同NPR下,对空腔长度、空腔扩张角2个参数的研究得出的规律与文献[5]相同,在此不再赘述,只给出了与该文献不同的次流注入角度、空腔收敛角、上游喉道高度3个参数对双喉道喷管性能的影响。411　次流注入角度的影响

图4给出了不同NPR下,喷管性能参数随次流注入角度的变化曲线。在计算的3个主喷流压比下,次流注入角<从50°增加到130°的过程中,推力系数、矢量效率都是先增加后减小,而流量系数均降低,矢量偏角是一直增加的。

图4　不同次流注入角度对喷管性能参数的影响

上述规律对应着喷管流态的变化,当次流注入角小于90°时,主流以亚音速通过上游物理喉道,在此喉道后喷管上壁面附近,只有很小的一块区域流

速达到音速,一般不会出现激波,因而推力损失较小,所以在此范围内,随着注入角度的增加,推力系

数增大。

当次流注入角大于90°以后,在上游喉道后有较大一块区域马赫数在1左右,在喷管上壁面形成明显λ激波(分叉激波),推力损失增加,因此次流注入角在大于90°以后,如果进一步增加,会使喉道后的激波变强,推力损失增加,导致推力系数减小。在次流入射角度增加的过程中,可以减小空腔上壁面的分离,使主流紧贴空腔上壁面流出,这显然会提高矢量效率,但同时矢量效率还受上游喉道后的激波位置、激波强度的影响,这些复合因素导致了随着次流注入角的增加,喷管矢量效率是先增大后减小的。

综合考虑次流注入角对喷管性能的影响,次流注入角在120°≤<≤150°范围内比较合适。412　空腔收敛角的影响

图5给出了不同NPR下,喷管性能参数随空腔收敛角的变化曲线。在所研究的空腔收缩角度从20°增加到40°的过程中,流量系数减小,推力系数增加;随着收缩角的增加,在NPR=7时,矢量偏角和矢量效率虽有降低的趋势,但基本保持不变,其它2个NPR下,矢量偏角和矢量效率都是增加的。

由于收敛角度直接决定了喷管出口气流的方向角,同时随着空腔收敛角的增加,主流偏转增大,但另一方面,随着空腔收敛角的增加,空腔上部的回流区变大,这会使空腔中超音速流动的区域变小,进而降低主流的偏转效率,本文的数值计算结果表明,在目前研究范围内,这些综合影响导致矢量效率随收敛角的增加而增加,但增长幅度会越来越缓慢。

此外,空腔扩张角的增加导致的空腔上部的回流区变大,会使空腔中的超音速流动区域变小,上游喉道处的激波前移,强度降低,推力损失变小,且这种激波前移幅度随着NPR的增加而变得越来越小,这也是在NPR较低时,推力系数随着扩张角的增加而增加,当NPR增加到一定程度如NPR=7时,推力系数反而有降低的趋势。

再考虑到空腔收敛角40°时的推力矢量偏角较

大,综合考虑空腔扩张角取值范围定在25°～40°内,这比文献[3,5]给出的范围要大,后面的较优参数组合的数值计算也说明空腔收敛角取40°是完全可以的。

第6期张　强等:双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟研究757

图5　不同空腔收敛角对喷管性能参数的影响

413　游喉道高度的影响

图6给出了不同NPR下,喷管性能参数随上游喉道高度的变化曲线。在所研究的范围内,在所有

NPR下,随上游喉道高度的增加,流量系数、推力系

数都是增大的;而随着上游喉道高度的增加,在

NPR=2时,矢量偏角和矢量效率一直降低,在其它

2个NPR下,矢量偏角和矢量效率都是先增加后减小,在hut/hdt=0195附近有一个极大值。

上游喉道hut的增加,肯定会较大地提高主喷管的流量系数,同时也会使推力系数增加。当hut比较小时,主喷流经过喉道后很快加速到较高马赫数,在空腔中形成较强的激波,同时激波与喷管上壁面附面层发生严重干扰,形成较大的分离区,因而流动损失较大,故此时的推力系数和矢量效率都比较低。随着hut的增加,流经喉道后的主流流速降低,空腔上壁面的斜激波前移并减弱,激波附面层干扰得到缓解,分离区变小,所以推力损失减小,矢量效率增加。如果上游喉道进一步增加,例如hut>110hdt,虽然空腔内的激波进一步减弱,推力系数缓慢增加,但由于主流流管变粗,在空腔上壁面的分离区变大,而下壁面的分离区上边界外凸减小,故矢量效率反而

降低。

综合考虑上游喉道高度对喷管性能的影响,上

游喉道高度的最佳取值范围是(019～110)hdt。

图6　不同上游喉道高度对喷管性能参数的影响

5　几种较优化喷管参数组合外形的

比较

利用前文的计算结果,确定了一个相对较优的双喉道喷管参数组合方案:l=216hdt,hut=0196hdt,1=10°,θ2=40°,<=130°。利用此相对较优的参数组合外形,与文献[4]给出的方案l=216hdt,hut=110hdt,θ1=10°,θ2=30°,<=150°以及文献[5]中给出的较优化参数组合方案l=216hdt,hut=110hdt,θ1=10°,θ2=20°,<=150°进行了比较,所计算的3种方案双喉道喷管性能参数如图7(a)～图7(d)所示。可以看出,由于本文给出的方案的上游喉道最小,空腔收敛角最大,所以在不同NPR下的流量系数尽管是最小的,但比文献[4]中的方案也仅仅是降低了约5%,但却换来了矢量喷管其它3

θ758西　北　工　业　大　学　学　报第27卷

个性能参数的极大提高,在不同NPR下,推力系数最大,远远超过其它2种方案的推力矢量偏角和矢

量效率。

图7　3种双喉道喷管方案性能参数的比较

6　结　论

通过对双喉道射流推力矢量喷管进行的数值模拟研究均表明:次流注入缝角度、空腔扩张角、空腔收敛角、空腔长度,上游喉道高度等5个决定双喉道喷管构型的几何参数,对喷管性能及内部流场均有

显著影响。概括起来可以得出以下结论:

(1)计算结果和NASA的实验结果无论是喷管内部流态还是喷管上下壁面静压分布均与实验吻合较好,描述矢量喷管的4个性能参数:流量系数、推力系数、推力矢量偏角、矢量效率也与实验保持了较高的一致性,表明所采用的数值计算方法具有较高的准确性,完全可以用来进行双喉道射流推力矢量喷管的设计研究。

(2)次流注入使得双喉道喷管内主流出现了2次偏转,分别位于上、下游喉道附近,同时在空腔上

下两侧形成的不对称分离,进一步提高了矢量效率,

并保持了较高的推力,与其它射流推力矢量方式相比,其主要缺点是在注入相同次流流量时,需要的次主流压比较大,增加了解决次流气源问题时的难度。

(3)次流注入角度、空腔长度、空腔扩张角、空腔收敛角、上游喉道高度等喷管设计参数对喷管的性能及内部流场均有显著的影响,根据单参数变化的规律性结果,各参数的取值范围依次是:120°≤<≤150°,2≤l/hdt≤3,<1在10°左右,30°≤<2≤40°,019≤hut/hdt≤110。

(4)参数化研究所确定的相对较优的喷管设计

参数组合为:l=216hdt,hut=0196hdt,θ,θ1=10°2=40°,<=130°,同其它双喉道喷管外形方案相比,该方案具有较优的喷管性能。当主流压比NPR=4,3%次流注入时,数值计算给出了14165°的矢量偏角,推力系数为98185%。

参考文献:

[1]　WingDJ,GiulianoVJ.FluidicThrustVectoringofanAxisymmetricExhaustNozzleatStaticConditions.ASMEFEDSM972

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[2]　DeereKA.SummaryofFluidicThrustVectoringResearchConductedatNASALangleyResearchCenter.AIAA2200323800[3]　DeereKA,BerrierBL,FlammJD,JohnsonSK.ComputationalStudyofFluidicThrustVectoringUsingSeparationControlin

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[4]　DeereKA,BerrierBL,FlammJD,JohnsonSK.AComputationalStudyofaDual2ThroatFluidicThrust2VectoringNozzle

Concept.AIAA2200523502

[5]　TanHuijun,ChenZhi.AComputationalStudyof22DDual2ThroatFluidicThrust2VectoringNozzles.JournalofAerospacePow2

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第6期张　强等:双喉道射流推力矢量喷管的数值模拟研究759

ExploringIdealConfigurationofDualThroatFluidicThrust

VectoringNozzlethroughNumericalSimulation

ZhangQiang,YangYong,LiXile

(NationalKeyLaboratoryofAerodynamicDesignandResearch,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

Abstract:Aim.ExperimentsarelimitedinthenumberofnozzleconfigurationsandNPRs(nozzlepressureratios).Throughnumericalsimulation,webelievewecanovercomeremarkablysuchalimitationandarriveatanearlyideal

nozzleconfiguration,thusobtainingthenearlyoptimalcombinationofthrustvectorangleandthrustratio.Nozzledesignvariablesincludecavitylengthl,cavitydivergenceangleθonvergenceangleθmthroat1,cavityc2,upstreaheighthutandfluidicinjectionangle<.

Internalnozzleperformanceandthrustvectoringangleswerecomputedfor

severaltensofconfigurationsoverarangeofNPRsfrom2to7with3%fluidicinjectionflowrate.Numericalre2sults,partlyshowninFigs.4through6,indicatepreliminarilythatthedesignvariableshavegreatinfluenceonnozzleperformanceandinternalflowpatterns.Thenearlyidealnozzleconfigurationis:l=216hdt,hut=0196hdt,θ,θ,<=130°;thisconfigurationcanachieveathrustvectorangleof14165°andathrustratioof1=10°2=40°

019885whenNPRis4andsecondaryflowinjectionis3%ofmainnozzleflow.

Keywords:nozzles,flowcontrol,dualthroatnozzle,thrustvectorcavity,fluidicinjection

纪念科学大师钱学森(之一)

钱老2009年10月31日逝世。傅正阳教授提供给我的钱老写的“技术科学中的方问题”中的一句话给我印象很深。这句话是:“因此,我以为世界上第一流的技术科学家都是自发的辩证唯物论者……”对于这句话我在2002年12月写过我的感想,现在只做很少的修改。

我感到钱老很可能在这样写时想到他的老师vonKármán。vonKármán很坚决地要求他的学生FrankMalina交出他作火箭试验研究的理论依据,Malina不得不请求钱学森帮他提供理论依据。这样动手能力很强的Malina不得不在理论依据方面弥补vonKármán看到的他的弱点,反过来钱学森也从动手能力很强的Malina那里吸收到有益的营养。vonKármán、Malina、钱学森三位能在火箭技术上很有建树,应该说和vonKármán自发地正确处理理论和实验的关系(自发地正确运用唯物辩证法)分不开的。vonKármán在他的自传“TheWindandBeyond”第136页上有这样一段话:“……Prandtl’smethodofworkingwasintrueGermansci2entifictradition:developatheoryhandinhandwithaseriesofpainstakingexperiments.InGottingenhehadbeenaccumulatingconsiderableexperimentaldata……Prandtldevelopedhistheoriescarefully,matchingthetheorya2gainstthedatatoseethattheywereinaccord.Ifnot,hewouldrevisethetheory.……”

上述一段话中的真正德国科学传统,我认为是能按照唯物辩证法来处理理论和实验的关系的。

胡沛泉

2009年11月