考虑进口非均匀的喷管设计及冷流条件下的性能研究

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAslrOnauticaSinicaMar．252014VOI．35NO．3706．713ISSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn考虑进口非均匀的喷管设计及冷流条件下的性能研究莫建伟，徐惊雷*，全志斌，俞凯凯南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016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，实际工作过程中尾喷管的进口气流是非均匀的

2、，因而有必要研究非均匀进口条件下的尾喷管设计方法。以超燃冲压发动机尾喷管非均匀进口马赫数分布为条件，采用有旋特征线设计了超燃冲压发动机非对称尾喷管的等熵膨胀型线。利用数值模拟和试验相结合的方法研究了冷流条件下喷管的气动性能。结果表明，在相同的进口条件下，相对于假定进口马赫数均匀分布设计得到的喷管，考虑进口马赫数非均匀分布设计的喷管推力增加o．6％～2．O％，负升力降低可达82．o％，俯仰力矩增加8．6％～13，O％，这说明在喷管的设计过程中考虑进口参数分布的非均匀性是有必要的。关键词：超燃冲压发动机；

3、喷管设计；进口非均匀；气动性能；数值模拟；试验中图分类号：V231．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2014)03一0706—08作为吸气式高超声速飞行器的核心技术，超燃冲压发动机技术逐渐成为各国研究的热点u。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，尾喷管的主要作用是将燃烧室产生的高焓气流充分膨胀，产生尽可能高的推力，同时兼顾升力和俯仰力矩等飞行器气动平衡的要求。尾喷管性能对飞行器性能有很大的影响，一直是高超声速研究的重要领域[61

4、]。在超燃冲压发动机实际工作中，无论是进气道对高速自由来流的压缩激波系、隔离段内非对称激波串的振荡，还是燃烧室内空气与燃料的掺混、振荡燃烧等，均会造成喷管进口流场参数分布的非均匀。再加上超燃冲压发动机尾喷管没有收缩段和几何喉道，无法像通常的拉瓦尔喷管那样对气流进行有效的整流，且与燃烧室直接相连，因此尾喷管的进口气流不可避免地具有相当大的不均匀性。国内外对进口气流非均匀对超燃冲压发动机尾喷管气动性能的影响开展了有限的研究。snellin一83对高超声速飞行器尾喷管进口非均匀进行了数值模拟，认为进口非均匀

5、使得飞行器的推力增加，整体力矩减小。schindel[91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l％的结论。Goel运用数值模拟研究了进口参数不同的非均匀分布对喷管性能的影响，结果表明喷管性能与进口非均匀分布形式有很大关系[10。。Kush一牧稿日期：2013-05-17；退修日期：2013_08-13；录用日期：2013-11-05i网络出版时间：2013—11—2711

6、：21网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail门1．1929．V201311271121．004h们l基金项目：国家自然科学基金(90916023)；中央高校基本科研业务费专项资金(cxzzll—0223)*通讯作者Tel．：025—84892240E—mail：x圳@nuaaedu．cn戮角格武iMoJw．xuJL。QuanZ8．ela

7、．Deslgnandcoldf

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10、nce日oweffects￡Jj。AdaAeronaut}caetAstron钏t{cas{nica，2014．35(3)：706—713．莫建伟．徐惊雷．全志斌．等．考虑进口菲均匀曲喷管设计及冷流条停下的性能研究[JI．航空学摄，2014。35(3)：706-713．莫建伟等：考虑进口非均匀的喷管设计及冷流条件下的性能研究ida等[1妇采用一维混合流的处理方法，估算得到非均匀进口对喷管造成的影响约为1％。Ebrahi—mi和Lankford[12]认为进口非均匀对喷管前段的压力分布有一定影响，并认为

11、非均匀对喷管推力的影响不超过2％。王晓栋和乐嘉陵[1朝采用数值模拟方法研究了入口温度剖面对超燃冲压发动机尾喷管流场结构的影响，结果表明温度非均匀对喷管影响较小。全志斌等[143对马赫数非均匀入口对尾喷管性能的影响进行了试验与数值研究，结果表明非均匀进口造成了尾喷管推力性能下降、负升力增加及俯仰力矩减小。上述一系列研究结果都表明，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[15。16]流场结构、气动性能等会产生一定影响。那么能否在喷管的设计之初就考