可调收敛-扩张喷管周向内型面对流场的影响研究

王书贤，王 山

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

可调收敛-扩张喷管周向内型面对流场的影响研究

王书贤，王 山

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

可调喷管由调节片和密封片组成，喷管周向内型面不是严格圆形而是多边形，周向内型面对喷管流场的影响会进一步影响喷管性能。以圆形和三种多边形周向内型面收敛-扩张喷管为研究对象，给以相同轴向尺寸和进口条件，利用流体计算分析软件FLUENT对喷管内流场进行了计算分析，得到的影响规律为可调喷管结构的优化设计提供参考。研究结果表明：可调收敛-扩张喷管调节片数越多，周向内型面越接近于圆形，喷管流动损失越小。

可调收扩喷管；周向内型面；流场分析

0 引言

要使具有喷气发动机的飞行器在宽广的飞行条件下维持良好的性能和较好的机动性能，具有多弹道下有效的工作能力，先进的排气喷管是必不可少的，可调喷管就是当代出现的先进排气喷管之一。可调喷管由调节片和密封片组成，喷管周向内型面不同于固定喷管光滑的圆形而是规则的多边形。周向内型面设计的好坏以及喷管在工作状态下能否按要求保持相应的周向内型面，影响着尾喷管的工作效率与性能[1-5]。

为了得到周向内型面对喷管内流场的影响规律，本文以某固冲发动机为研究应用背景，对同一轴向尺寸，周向内型面分别为圆形和多边形(边数取8，12，15)的可调收敛-扩张喷管进行建模，分析周向内型面对喷管内温度、压强、流速以及流动损失的影响规律。

1 计算模型

1.1 几何结构及网格划分

喷管进出口直径均为185mm，喉部直径81.1mm，喷管总长250mm，喉部距离进口90mm。对圆形内型面喷管采用轴对称的二维网格划分，而对多边形内型面喷管分别取1/4、1/6和1/5进行三维网格划分。由于壁面附近速度梯度大，相应的压强和温度也变化很快，因此近壁面网格较密，向轴线方向逐渐过渡变疏。几何结构及网格划分情况如图1所示。

(a) 圆形内型面 (b) 八边形内型面

(c) 十二边形内型面 (d) 十五边形内型面图1 模型网格

1.2 流动性质

某固冲发动机进口静压P0=0.6Mpa，进口静温T0=2000K，出口背压Pb=0.05Mpa，气体质量流量Wgi=1kg/s，比热比k=1.3，气体常数R=430.4J/kg·K。进一步求得其它相关物理参数，如表1所示。

表1 其它相关物理参数

1.3 控制方程及求解方法

综合考虑研究对象的各项流动条件，本文选取为标准k-ε模型[7-8]。控制方程除质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程外，还包括k方程、ε方程，控制方程的通用表达式如下：

(1)

具体控制方程如表2所示。本文采用压力耦合隐式亚松弛迭代求解控制方程组。

表2 控制方程

2 计算结果分析

由于在计算分析时圆形内型面喷管采用的二维建模，多边形采用的三维建模，为了方便计算结果的分析，在云图分析时，对三维模型也同时取轴向截面进行分析。

2.1 压强分析

通过对不同内型面可调收扩喷管静压分布云图的观察，如图2所示(以圆形内型面为例)可以看出，喷管从进口到出口静压逐渐降低，且不同周向内型面喷管整体静压分布基本相同，仅在数值上有所差异。由图3可以看出圆形内型面喷管的静压数值在整个过程都要低于多边形内型面喷管，多边形内型面喷管之间差异不大。再通过对其在出口静压数值上的变化的分析(见表3)，可知圆形内型面喷管出口静压最小，多边形内型面喷管出口静压随边数的增加而减小。

图2 圆形内型面可调收扩喷管静压分布云图

图3 不同内型面喷管静压变化趋势图

通过对不同内型面可调收扩喷管总压分布云图的观察，如图4所示(以圆形内型面为例)可以看出，不同内型面喷管总压分布也基本相同，收敛段总压基本不变，喉部过后总压变化明显。

喉部过后总压变化的原因有三点：第一，壁面附近由于粘性摩擦存在沿程损失，总压较低，且沿程损失与速度的平方成正比，因此在喉部之后气流达到超声速，总压损失明显。

第二，湍流脉动也会造成一定的总压损失，气流速度越高湍流脉动越强烈，总压损失越大，因此喉部之后沿轴向总压降低。

第三，喷管工作在超临界过膨胀状态，气流通过出口的斜激波将出口压强增加至外部环境压强，斜激波以喷管出口壁面为附着点，对出口壁面附近气流有一定干扰，使总压有所损失。

将不同内型面可调收扩喷管沿轴向总压数值变化趋势进行归纳在图5中对比呈现，从图中可以看出喉部过后总压数值开始下降，圆形内型面喷管的总压下降量最少，八边形内型面喷管下降量最大，十二、十五边形内型面喷管则是比较接近的。从喷管出口总压的具体数值(见表3)可以看出，圆形内型面喷管出口总压最大，多边形内型面喷管出口总压随边数增加而增加。

图4 圆形内型面可调收扩喷管总压分布云图

图5 不同内型面喷管总压变化趋势图

2.2 速度分析

通过对不同内型面可调收扩喷管总压分布云图的观察，如图6所示(以圆形内型面为例)可以看出，不同内型面的喷管轴向速度分布基本相同，燃气在喷管内持续加速，在喉部达声速，喷管工作在超临界过膨胀状态。将不同内型面可调收扩喷管沿轴向总压数值变化趋势进行归纳在图7中，可以看出整个过程中圆形内型面喷管速度数值上要大于多边形内型面喷管的数值。出口气流速度的具体数值(见表3)表明：圆形内型面喷管出口速度最大，多边形内型面喷管出口速度随边数的增加而增大。

图6 圆形内型面可调收扩喷管速度分布云图

图7 不同内型面的喷管速度变化趋势图

2.3 温度分析

总温在喷管整个流动过程中基本不变。静温变化如图8所示(以圆形内型面为例)。不同内型面喷管的静温分布也基本相同，同样也是数值上有所差异，对不同内型面可调收扩喷管沿轴向静温数值变化趋势进行归纳在图9中对比呈现，可以看出整个过程中圆形内型面喷管静温数值要小于多边内型面喷管的静温数值。喷管出口静温(见表3)，与静压规律相同，圆形内型面喷管出口静温最小，多边形内型面喷管出口静温随边数增加而减小。

图8 圆形内型面可调收扩喷管静温分布云图

图9 不同内型面的喷管静温变化趋势图

2.4 小结

将以上计算结果列于表3进行对比分析，可以得出如下规律：在进口条件一致的情况下，随着多边形周向内型面边数增加出口总压增大，压力损失减小；出口静压减小，出口流速增大，动能转化增大；出口总温不变，出口静温减小，热能损失减小。即对于可调收敛-扩张喷管调节片数越多，周向内型面越接近圆形面，喷管流动损失越小。

表3 不同内型面喷管出口参数

*注：( )为其它情况物理参数以圆形物理参数为基准的相对变化百分比

3 结论

(1)喷管周向内型面变化不影响轴向物理参数的总体变化规律，即总压静压下降、总温不变、静温下降、速度增大。

(2)喷管周向内型面变化影响喷管流动损失，周向内型面越接近于圆形，喷管内流动损失越小，热能向动能转化效率越高。

(3)在可调收敛-扩张喷管的结构设计中应在保证结构可调及有效热防护的基础上，尽量采用较多的调节片和密封片，以减少流动损失。

[1] 葛李阳,张国伟,张国栋.基于FLUENT的火箭发动机喷管流场数值模拟[J].机电技术,2013,36(3):13-15.

[2] 李存杰.空气喷气发动机可调尾喷管的几种方案[J].飞航导弹,1997(6):48-50.

[3] LOPEZ-DIEZ A,RODRIGUEZ M,SEGUNDO M S,et al.Aplications of Variable Area Nozzles for Civil Airplanes[C].34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit,1998:1-7.

[4] 赖谋荣.冲压发动机可调喷管流场的数值模拟[D].西安:西北工业大学,2002.

[5] 周唯阳.串联布局TBCC可调喷管的设计、仿真与实验研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.

[6] 王新月.气体动力学基础[M].西安:西北工业大学出版社,2006:324.

[7] 任玉新,陈海昕.计算流体力学基础[M].北京:清华大学出版社,2006:27-30.

[8] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2008:185.

[责任编辑、校对：李琳]

Abstract：The variable nozzle is composed of flaps and seals,and the inner contour of the nozzle is not precisely circular but polygonal.The inner contour has influence on flow and nozzle performance.The circular and three kinds of polygonal circumferential inner contour convergent-divergent nozzles are taken as the research object.The same axial dimension and inlet condition are used.The software FLUENT is used to analyze the internal flow field.The influence of different inner contours on the flow field of the variable convergent-divergent nozzle is given,which provides a reference for the optimized design of the variable nozzle structure.The results show that the bigger the number of variable nozzles is,and the more the circumferential inner surface is approximate to circular shape,and the smaller the flow loss from the inlet to the outlet is.

Keywords：variable convergent-divergent nozzle;circumferential inner contour;fluid analysis

StudyofCircumferentialInnerContourInfluenceonVariableConvergent-DivergentNozzleInternalFlowField

WANGShu-xian,WANGShan

(School of Aircraft,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

V435

A

1008-9233(2017)05-0003-05

2017-07-05

西安市科技计划项目(CXY1518(5))

王书贤(1977-)，女，陕西西安人，博士，副教授，主要从事发动机流动与热结构研究。