推力矢量喷管设计与气动特性分析研究

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1、第l2卷第6期2012年2月科学技术与工程Vo1．12No．6Feb．20121671—1815(2012)06-1304-04ScienceTechnologyandEngineering@2012Sci．Tech．Engrg．推力矢量喷管设计与气动特性分析研究陈玲玲杨青真李岳峰(西北工业大学动力与能源学院，西安710072)摘要二元矢量喷管结构简单，隐身特性好，在多种隐身飞机上得到了应用。发展了一种“圆转方”二元喷管型面设计方法，基于此方法设计了二元喷管和两型矢量喷管。一型通过二元喷管壁面几何偏转实现，另一型由塞式中心体偏转实现。数值模拟了“圆转方”喷管以及

2、这两型矢量喷管的内外流场。对其推力系数、流量系数、有效推力矢量角等性能参数进行了计算和分析对比，给出了对二元矢量喷管设计具有参考价值的推力矢量角的影响因素及其影响规律。关键词圆转方二元喷管推力矢量几何偏转中心体偏转数值模拟中图法分类号V228．74；文献标志码A推力矢量技术是第四代战机必备的关键技术本文针对圆转方二元喷管、壁面几何偏转矢量之一。采用推力矢量技术的飞机利用发动机推力喷管(折流板技术)以及加塞式中心体矢量喷管进获得附加的控制力矩，实现飞机的姿态控制。推力行了气动型面设计，并对其内外流进行了数值模矢量技术使得现代战机具有更高的敏捷性、过失速拟。对比两型

3、矢量喷管，几何偏转矢量喷管优点是机动能力以及良好的飞行品质。推力矢量效果好，缺点是结构复杂；加塞式中心体二元矢量喷管使飞机能在俯仰和偏航方向产矢量喷管优点是喷管内的中心体可以挡住发动机生附加力矩，因而使飞机具有推力矢量控制能力。的部分热辐射，所以其红外信号较低，另外，其结构自20世纪70年代以来，美国的NASA、军方与飞机简单，轴向移动中心体可以调节喷管的最小截面大和发动机公司实施了一系列二元喷管研究计划和小及位置，可以更加灵活地控制喷管的性能参数。推力矢量飞机风洞试验计划。在80年代末，美国两本文的研究工作为二元矢量喷管设计奠定了基础，架预研战斗机YF—22／

4、Fll9和YF-23／F120均采对推力矢量喷管的设计优化和工程应用具有一定参考价值。用了这种矢量喷管。90年代初敲定的F—22／F1l9也是用这种喷管。球面收敛调节片喷管(SCFN)组1圆转方二元喷管设计方法合了轴对称和二元喷管的几何特性，普·惠公司的本文采用超椭圆方程作为喷管“圆转方”过渡全尺寸验证型喷管已于1994年装在xrIE—65验证段的型面变化规律；同时为保证各截面过渡光滑，机上进行地面试验。自20世纪90年代以来，射流横向速度分量逐渐减小并在出口截面上趋于零，采矢量喷管得到了人们的广泛关注。而在最近的研用维托辛斯基公式计算喷管的壁面曲线。为使圆究工

5、作中，基于科恩达效应的新型矢量喷管开始进截面过渡为方形截面时比较平滑，超椭圆指数rt随入人们的视线J。喷管轴向坐标变化设计为二次函数变化关系式目前，在国内对于推力矢量喷管控制技术，也rt=Ax+曰(1)作了一些理论上的研究和讨论，但真正用于发动机／■，^、的推力矢量控制技术还远没有成熟。式(1)中B=2，A=；为使得喷管出口截面为矩形的一个无穷大值。文中为计算方便，在不2011年11月3O日收到第一作者简介：陈玲玲(1987一)，女，西北工业大学动力与能源学影响计算结果前提下取M：50；Z是喷管进口到出院硕士研究生，研究方向：发动机总体设计。E—mail：che

6、nlingling@口的距离。mail．nwpu．edu．cn。在生成喷管各截面坐标时，为使型面光滑，离通信作者简介：杨青真，男，西北工业大学动力与能源学院，教授，散坐标点按等圆心角划分。坐标点的计算采用C++博士生导师，研究方向：发动机气动热力学。E-mail：qzyang@nw-语言编写程序实现。pu．edu．cao6期陈玲玲，等：推力矢量喷管设计与气动特性分析研究2圆转方二元喷管及矢量喷管型面设计将以上计算所得的型面坐标数据导人CAD作图软件，生成“圆转方”二元喷管的气动外形，如图1(a)。以此为基本外形生成两型矢量喷管几何外形。(a)偏转2O。喷管的分区

7、第一型矢量喷管是在原“圆转方”二元喷管的基础上将喷管壁面几何偏转10。、2O。、30。所得，见图1(b)。为保证偏转处气流不发生分离，对偏转处型面进行了光滑过渡处理。一一(b)二型矢量喷管楔形体部分网格划分(a)圆转方二元喷管(b)一型矢量喷管(后体偏转2o。)图2喷管分区及网格划分3．2流场数值模拟一一采用时间平均N—S方程和标准K-e湍流模型耦合求解。喷管进口采用流量进口边界条件，根据某(c)二(加叁菱兰形体楔塞)图(一d)二型矢量喷筷管剖⋯面图真实发动机喷管气动参数设定流量、静压以及总温。远场设为压力远场。图1二元、二元矢量喷管几何外形图3．3计算结果分析

8、讨论根据以上计算条件，对