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一种小长高比组合发动机喷管气动设计及性能分析

葛文兴 桂丰 袁化成 何墨凡 郭荣伟

葛文兴, 桂丰, 袁化成, 等. 一种小长高比组合发动机喷管气动设计及性能分析[J]. 实验流体力学, 2020, 34(6): 8-17. doi: 10.11729/syltlx20190142
引用本文: 葛文兴, 桂丰, 袁化成, 等. 一种小长高比组合发动机喷管气动设计及性能分析[J]. 实验流体力学, 2020, 34(6): 8-17. doi: 10.11729/syltlx20190142
GE Wenxing, GUI Feng, YUAN Huacheng, et al. Aerodynamic design and numerical simulation of combined cycle nozzle with small length to height ratio[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2020, 34(6): 8-17. doi: 10.11729/syltlx20190142
Citation: GE Wenxing, GUI Feng, YUAN Huacheng, et al. Aerodynamic design and numerical simulation of combined cycle nozzle with small length to height ratio[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2020, 34(6): 8-17. doi: 10.11729/syltlx20190142

一种小长高比组合发动机喷管气动设计及性能分析

doi: 10.11729/syltlx20190142
基金项目: 

南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金 KFJJ20190208

详细信息
    作者简介:

    葛文兴(1996-), 男, 江苏常州人, 硕士研究生。研究方向:高超声速推进系统气动力学。通信地址:江苏省南京市南京航空航天大学能源与动力学院(210016)。Email:gwx_email@163.com

    通讯作者:

    袁化成, E-mail: yuanhuacheng@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: V236

Aerodynamic design and numerical simulation of combined cycle nozzle with small length to height ratio

  • 摘要: 在强几何约束条件下,对一种Ma=0~6.0的小长高比组合发动机喷管气动设计开展了初步研究。采用特征线法设计程序开展了喷管型线设计,并对设计点马赫数选取、三维侧向膨胀角、喷管双通道相对位置对喷管气动性能的影响开展了研究,给出了兼顾空间有效利用与喷管气动性能的喷管气动设计方案。数值模拟结果显示:降低设计点马赫数可以改善组合发动机喷管在低马赫数飞行时的性能,避免喷管出现严重过膨胀;喷管保持出口高度不变时,随着侧向膨胀角的増大,其高马赫数气动性能较优,而低马赫数气动性能下降严重。涡轮/冲压发动机喷管出口相对位置对并联布局组合发动机喷管转级点气动性能影响较大,且存在一个最佳位置布局,使得转级点达到最优的推力性能。获得的组合发动机喷管在设计马赫数下的推力系数约为0.920,模态转换过程流场平稳过渡,推力系数不低于0.918。
  • 图  1  排气系统示意图

    Figure  1.  Geometry of the exhaust system

    图  2  典型工作状态时喷管网格图

    Figure  2.  Mesh distribution of the TBCC exhaust system

    图  3  排气系统网格图

    Figure  3.  Computational domain and mesh of the exhaust system

    图  4  Computational domain and mesh of the exhaust system

    Figure  4.  Scheme of the nozzle model

    图  5  壁面压力的实验与计算结果比较

    Figure  5.  Comparison between the experiment and numerical calculation of the wall pressure

    图  6  喷管性能参数示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of nozzle performance parameters

    图  7  喷管几何尺寸及位置约束示意图

    Figure  7.  The constraint of size and position

    图  8  特征线法设计的二元非对称喷管型面

    Figure  8.  The nozzle designed by MOC

    图  9  二元非对称喷管流场马赫数等值图

    Figure  9.  Contours of the nozzle

    图  10  不同设计点下喷管上下型线对比

    Figure  10.  The nozzle model with different design Mach numbers

    图  11  不同设计点的喷管推力系数变化图

    Figure  11.  The axial thrust coefficient with different design Mach numbers

    图  12  不同设计点喷管升力变化图

    Figure  12.  The lift force with different design Mach numbers

    图  13  喷管的侧向膨胀角示意图

    Figure  13.  The contour of the lateral expansion angle

    图  14  不同构型喷管的推力系数

    Figure  14.  The axial thrust coefficient of the models

    图  15  喷管下壁面截短对比

    Figure  15.  The nozzle after cutting wall below

    图  16  截短前后喷管性能对比

    Figure  16.  The nozzle performance parameters after cutting wall below

    图  17  组合发动机喷管偏置距离示意图

    Figure  17.  The schematic diagram of the offset distance

    图  18  不同偏置距离下喷管推力系数

    Figure  18.  The axial thrust coefficient of offset distances

    图  19  组合发动机喷管三维气动方案示意图

    Figure  19.  Three-dimensional of the TBCC exhaust system

    图  20  冲压模态时喷管对称面马赫数等值线图

    Figure  20.  Contours of nozzle Mach number at supersonic mode

    图  21  模态转换时喷管对称面马赫数等值图

    Figure  21.  Contours of nozzle Mach number at transition mode

    表  1  不同网格量的喷管性能参数

    Table  1.   Nozzle performance parameters with different mesh numbers

    Mesh numbers L/N M/(N·m) Cfx
    200万 2575.8 -2069.9 0.9132
    300万 2583.4 -2088.3 0.9163
    400万 2610.1 -2100.1 0.9200
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    表  2  冲压发动机喷管进口参数

    Table  2.   The parameters of ramjet nozzle inlet

    Ma h/km pt/Pa Tt/K
    3.0 18.0 138 319 1432
    3.5 20.0 177 797 1496
    4.0 21.9 164 240 2195
    5.0 24.8 202 909 2665
    下载: 导出CSV

    表  3  喷管构型的侧向膨胀角

    Table  3.   The lateral expansion angle of the nozzle

    Model Angle Width
    A 1.50 Ht
    B 2.23° 2.06 Ht
    C 6.06° 3.03 Ht
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    表  4  冲压模态时喷管性能参数

    Table  4.   Nozzle performance parameters at supersonic mode

    Ma h/km L/N M/(N·m) Cfx
    3.0 18.0 -452.9 -136.1 0.9204
    3.5 20.0 120.2 561.0 0.9508
    4.0 21.9 223.2 571.4 0.9416
    5.0 24.8 746.6 1214.4 0.9259
    6.0 26.0 1131.7 1761.2 0.9184
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    表  5  模态转换时喷管性能参数

    Table  5.   Nozzle performance parameters at transition mode

    Transition mode L/N M/(N·m) Cfx
    1 2583.5 -2088.3 0.9163
    2 2413.6 -1861.9 0.9190
    3 2178.1 -1739.3 0.9229
    4 1599.6 -1693.3 0.9344
    5 801.8 -337.1 0.9515
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-04
  • 修回日期:  2020-02-17
  • 刊出日期:  2020-12-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日