可調(diào)收斂-擴(kuò)張噴管周向內(nèi)型面對(duì)流場(chǎng)的影響研究

王書賢，王 山

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

可調(diào)收斂-擴(kuò)張噴管周向內(nèi)型面對(duì)流場(chǎng)的影響研究

王書賢，王 山

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

可調(diào)噴管由調(diào)節(jié)片和密封片組成，噴管周向內(nèi)型面不是嚴(yán)格圓形而是多邊形，周向內(nèi)型面對(duì)噴管流場(chǎng)的影響會(huì)進(jìn)一步影響噴管性能。以圓形和三種多邊形周向內(nèi)型面收斂-擴(kuò)張噴管為研究對(duì)象，給以相同軸向尺寸和進(jìn)口條件，利用流體計(jì)算分析軟件FLUENT對(duì)噴管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，得到的影響規(guī)律為可調(diào)噴管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。研究結(jié)果表明：可調(diào)收斂-擴(kuò)張噴管調(diào)節(jié)片數(shù)越多，周向內(nèi)型面越接近于圓形，噴管流動(dòng)損失越小。

可調(diào)收擴(kuò)噴管；周向內(nèi)型面；流場(chǎng)分析

0 引言

要使具有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器在寬廣的飛行條件下維持良好的性能和較好的機(jī)動(dòng)性能，具有多彈道下有效的工作能力，先進(jìn)的排氣噴管是必不可少的，可調(diào)噴管就是當(dāng)代出現(xiàn)的先進(jìn)排氣噴管之一?？烧{(diào)噴管由調(diào)節(jié)片和密封片組成，噴管周向內(nèi)型面不同于固定噴管光滑的圓形而是規(guī)則的多邊形。周向內(nèi)型面設(shè)計(jì)的好壞以及噴管在工作狀態(tài)下能否按要求保持相應(yīng)的周向內(nèi)型面，影響著尾噴管的工作效率與性能[1-5]。

為了得到周向內(nèi)型面對(duì)噴管內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律，本文以某固沖發(fā)動(dòng)機(jī)為研究應(yīng)用背景，對(duì)同一軸向尺寸，周向內(nèi)型面分別為圓形和多邊形(邊數(shù)取8，12，15)的可調(diào)收斂-擴(kuò)張噴管進(jìn)行建模，分析周向內(nèi)型面對(duì)噴管內(nèi)溫度、壓強(qiáng)、流速以及流動(dòng)損失的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

噴管進(jìn)出口直徑均為185mm，喉部直徑81.1mm，噴管總長(zhǎng)250mm，喉部距離進(jìn)口90mm。對(duì)圓形內(nèi)型面噴管采用軸對(duì)稱的二維網(wǎng)格劃分，而對(duì)多邊形內(nèi)型面噴管分別取1/4、1/6和1/5進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分。由于壁面附近速度梯度大，相應(yīng)的壓強(qiáng)和溫度也變化很快，因此近壁面網(wǎng)格較密，向軸線方向逐漸過(guò)渡變疏。幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

(a) 圓形內(nèi)型面 (b) 八邊形內(nèi)型面

(c) 十二邊形內(nèi)型面 (d) 十五邊形內(nèi)型面圖1 模型網(wǎng)格

1.2 流動(dòng)性質(zhì)

某固沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口靜壓P0=0.6Mpa，進(jìn)口靜溫T0=2000K，出口背壓Pb=0.05Mpa，氣體質(zhì)量流量Wgi=1kg/s，比熱比k=1.3，氣體常數(shù)R=430.4J/kg·K。進(jìn)一步求得其它相關(guān)物理參數(shù)，如表1所示。

表1 其它相關(guān)物理參數(shù)

1.3 控制方程及求解方法

綜合考慮研究對(duì)象的各項(xiàng)流動(dòng)條件，本文選取為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[7-8]?？刂品匠坛|(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程外，還包括k方程、ε方程，控制方程的通用表達(dá)式如下：

(1)

具體控制方程如表2所示。本文采用壓力耦合隱式亞松弛迭代求解控制方程組。

表2 控制方程

2 計(jì)算結(jié)果分析

由于在計(jì)算分析時(shí)圓形內(nèi)型面噴管采用的二維建模，多邊形采用的三維建模，為了方便計(jì)算結(jié)果的分析，在云圖分析時(shí)，對(duì)三維模型也同時(shí)取軸向截面進(jìn)行分析。

2.1 壓強(qiáng)分析

通過(guò)對(duì)不同內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管靜壓分布云圖的觀察，如圖2所示(以圓形內(nèi)型面為例)可以看出，噴管從進(jìn)口到出口靜壓逐漸降低，且不同周向內(nèi)型面噴管整體靜壓分布基本相同，僅在數(shù)值上有所差異。由圖3可以看出圓形內(nèi)型面噴管的靜壓數(shù)值在整個(gè)過(guò)程都要低于多邊形內(nèi)型面噴管，多邊形內(nèi)型面噴管之間差異不大。再通過(guò)對(duì)其在出口靜壓數(shù)值上的變化的分析(見(jiàn)表3)，可知圓形內(nèi)型面噴管出口靜壓最小，多邊形內(nèi)型面噴管出口靜壓隨邊數(shù)的增加而減小。

圖2 圓形內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管靜壓分布云圖

圖3 不同內(nèi)型面噴管靜壓變化趨勢(shì)圖

通過(guò)對(duì)不同內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管總壓分布云圖的觀察，如圖4所示(以圓形內(nèi)型面為例)可以看出，不同內(nèi)型面噴管總壓分布也基本相同，收斂段總壓基本不變，喉部過(guò)后總壓變化明顯。

喉部過(guò)后總壓變化的原因有三點(diǎn)：第一，壁面附近由于粘性摩擦存在沿程損失，總壓較低，且沿程損失與速度的平方成正比，因此在喉部之后氣流達(dá)到超聲速，總壓損失明顯。

第二，湍流脈動(dòng)也會(huì)造成一定的總壓損失，氣流速度越高湍流脈動(dòng)越強(qiáng)烈，總壓損失越大，因此喉部之后沿軸向總壓降低。

第三，噴管工作在超臨界過(guò)膨脹狀態(tài)，氣流通過(guò)出口的斜激波將出口壓強(qiáng)增加至外部環(huán)境壓強(qiáng)，斜激波以噴管出口壁面為附著點(diǎn)，對(duì)出口壁面附近氣流有一定干擾，使總壓有所損失。

將不同內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管沿軸向總壓數(shù)值變化趨勢(shì)進(jìn)行歸納在圖5中對(duì)比呈現(xiàn)，從圖中可以看出喉部過(guò)后總壓數(shù)值開始下降，圓形內(nèi)型面噴管的總壓下降量最少，八邊形內(nèi)型面噴管下降量最大，十二、十五邊形內(nèi)型面噴管則是比較接近的。從噴管出口總壓的具體數(shù)值(見(jiàn)表3)可以看出，圓形內(nèi)型面噴管出口總壓最大，多邊形內(nèi)型面噴管出口總壓隨邊數(shù)增加而增加。

圖4 圓形內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管總壓分布云圖

圖5 不同內(nèi)型面噴管總壓變化趨勢(shì)圖

2.2 速度分析

通過(guò)對(duì)不同內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管總壓分布云圖的觀察，如圖6所示(以圓形內(nèi)型面為例)可以看出，不同內(nèi)型面的噴管軸向速度分布基本相同，燃?xì)庠趪姽軆?nèi)持續(xù)加速，在喉部達(dá)聲速，噴管工作在超臨界過(guò)膨脹狀態(tài)。將不同內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管沿軸向總壓數(shù)值變化趨勢(shì)進(jìn)行歸納在圖7中，可以看出整個(gè)過(guò)程中圓形內(nèi)型面噴管速度數(shù)值上要大于多邊形內(nèi)型面噴管的數(shù)值。出口氣流速度的具體數(shù)值(見(jiàn)表3)表明：圓形內(nèi)型面噴管出口速度最大，多邊形內(nèi)型面噴管出口速度隨邊數(shù)的增加而增大。

圖6 圓形內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管速度分布云圖

圖7 不同內(nèi)型面的噴管速度變化趨勢(shì)圖

2.3 溫度分析

總溫在噴管整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中基本不變。靜溫變化如圖8所示(以圓形內(nèi)型面為例)。不同內(nèi)型面噴管的靜溫分布也基本相同，同樣也是數(shù)值上有所差異，對(duì)不同內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管沿軸向靜溫?cái)?shù)值變化趨勢(shì)進(jìn)行歸納在圖9中對(duì)比呈現(xiàn)，可以看出整個(gè)過(guò)程中圓形內(nèi)型面噴管靜溫?cái)?shù)值要小于多邊內(nèi)型面噴管的靜溫?cái)?shù)值。噴管出口靜溫(見(jiàn)表3)，與靜壓規(guī)律相同，圓形內(nèi)型面噴管出口靜溫最小，多邊形內(nèi)型面噴管出口靜溫隨邊數(shù)增加而減小。

圖8 圓形內(nèi)型面可調(diào)收擴(kuò)噴管靜溫分布云圖

圖9 不同內(nèi)型面的噴管靜溫變化趨勢(shì)圖

2.4 小結(jié)

將以上計(jì)算結(jié)果列于表3進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出如下規(guī)律：在進(jìn)口條件一致的情況下，隨著多邊形周向內(nèi)型面邊數(shù)增加出口總壓增大，壓力損失減??；出口靜壓減小，出口流速增大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化增大；出口總溫不變，出口靜溫減小，熱能損失減小。即對(duì)于可調(diào)收斂-擴(kuò)張噴管調(diào)節(jié)片數(shù)越多，周向內(nèi)型面越接近圓形面，噴管流動(dòng)損失越小。

表3 不同內(nèi)型面噴管出口參數(shù)

*注：( )為其它情況物理參數(shù)以圓形物理參數(shù)為基準(zhǔn)的相對(duì)變化百分比

3 結(jié)論

(1)噴管周向內(nèi)型面變化不影響軸向物理參數(shù)的總體變化規(guī)律，即總壓靜壓下降、總溫不變、靜溫下降、速度增大。

(2)噴管周向內(nèi)型面變化影響噴管流動(dòng)損失，周向內(nèi)型面越接近于圓形，噴管內(nèi)流動(dòng)損失越小，熱能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率越高。

(3)在可調(diào)收斂-擴(kuò)張噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)可調(diào)及有效熱防護(hù)的基礎(chǔ)上，盡量采用較多的調(diào)節(jié)片和密封片，以減少流動(dòng)損失。

[1] 葛李陽(yáng),張國(guó)偉,張國(guó)棟.基于FLUENT的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].機(jī)電技術(shù),2013,36(3):13-15.

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：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

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1518(5))

王書賢(1977-)，女，陜西西安人，博士，副教授，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)與熱結(jié)構(gòu)研究。