超燃冲压发动机尾喷管非均匀进口的冷流试验与数值模拟

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1、航空学报ActaAerOnauticaelAstronauticaSinicaOct252013V01．34No．102308．2315ISSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaaeducnhkxb@buaa．edu．ca超燃冲压发动机尾喷管非均匀进口的冷流试验与数值模拟全志斌1，徐惊雷1’*，李斌2，李欣2，莫建伟11．南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京2100162．中国航天科工集团三十一研究所，北京100074摘要：超燃冲压发动机尾喷管与燃烧室直接相连，由于没有几何喉道和收缩段的整流作用，实际尾喷管的进口气流是非均匀的。为了研究非均匀进口对超燃冲

2、压发动机尾喷管性能的影响，以非均匀马赫数分布为目标，设计了非均匀出口风洞，并进行了风洞出口流场校核试验，试验校核得到的马赫数与目标值的最大偏差只有1．95％。在此基础上，进行了非均匀进口对超燃冲压发动机尾喷管气动性能影响的数值模拟研究，并进行了相应的风洞试验，试验与数值模拟结果吻合良好，验证了数值模拟结果的准确性。研究结果表明，非均匀进VI会造成尾喷管推力下降2．92％～5．02％、负升力增加可达17．2％、俯仰力矩减小4．2％～6．7％。关键词：超燃冲压发动机；单边膨胀喷管；气动性能；数值模拟；风洞试验中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)10—23

3、08—08作为吸气式高超声速飞行器推进系统的核心技术，超燃冲压发动机技术逐渐成为各国研究的热点口。4]。超燃冲压发动机由进气道、隔离段、燃烧室以及尾喷管组成[5]。作为超燃冲压发动机的重要部件，尾喷管一直是高超声速研究的重要领域[6’12

4、。超燃冲压发动机尾喷管与燃烧室直接相连，由于没有收缩段和几何喉道对燃烧室出口的非均匀气流进行整流，使得尾喷管进口气流具有较大的非均匀性。目前超燃冲压发动机尾喷管的设计及性能计算基本是以均匀进口参数为前提。实际工况下，尾喷管进口气流的非均匀性对基于均匀参数设计的尾喷管的流场结构、气动性能等势必会产生影响。国外就进口气流非均匀对超燃冲压发动机尾喷管气动性能影响

5、研究的公开发表文献比较少。其中，美国国家航空航天局(NASA)Langley研究中心的Gaffney[1朝提出了采用有旋特征线方法设计考虑进口气流非均匀性的超声速喷管。美国空军上尉Snelling[141对高超声速飞行器尾喷管进口非均匀进行了数值模拟，指出进口非均匀使得飞行器的推力有所增加，整体力矩减小。美国海军的Schindel[1朝采用马赫数不同的两股射流模拟喷管的非均匀进口，与均匀进口气流分别等熵膨胀到相同环境压力，比较二者的出口动量，得出进口气流速度分布非均匀造成喷管推力性能的下降一般不会超过1％的结论。由于超声速气流的参数测量非常困难，无论是Snelling还是Sehindel对尾

6、喷管进口的研究都是基于假定的进口气流非均匀分布，且两人得到的结论存在矛盾的部分，说明进口气流非均匀对收稿日期：2012—12—19；退修日期：2013—01—09；录用日期：2013-02-26；网络出版时间：2013—03—0514：09网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20130305．1409．003．htmI*通讯作者．Tel．：025-84892204E-mail：xujl@nuaa．educn引用播武lQuanZB．XuJL．LI8．eta1．CoMflowexperimentandnumericalsimulationonnon

7、uniformentranceflowofscramjetnozzle．Ac—taAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(10)：2308-2315．垒志斌．徐惊雷．李斌．等趟燃冲压发动机昆喷管菲均匀进口的冷流试验s数值模拟．航空学搬，2013，34(10)：2308-2315．全志斌等：超燃冲压发动机尾喷管非均匀进口的冷流试验与数值模拟尾喷管气动性能影响的研究尚不充分。国内王晓栋和乐嘉陵[16]采用数值模拟的方法研究了人口温度剖面对超燃冲压发动机尾喷管流场结构的影响，但未研究非均匀进口对喷管气动性能的影响。本文以尾喷管进口气流马赫数沿高度方向的非均匀

8、分布为设计目标，模拟尾喷管进口的非均匀气流，以空气为工质，采用数值模拟和试验相结合的方法研究了冷流条件下非均匀进口气流对尾喷管气动性能的影响，并对马赫数分布相似、进口气流非均匀程度不同对尾喷管气动性能的影响进行了初步研究。与已公开发表的研究工作相比，本文首先对尾喷管非均匀进口进行了冷流试验研究，获得了相关试验数据，较好地验证了数值模拟结果的准确性和可靠性；其次，采用的尾喷管进口流场是针对超燃冲压发动机一体化内