膨胀偏流喷管的性能研究

发布时间：2020-07-31 11:00

【摘要】：运载火箭和战略导弹的工作范围一般是从海平面到近地空间,其喷管的工作环境变化巨大,喷管的性能损失严重,甚至可能引起发动机熄火等恶劣后果。膨胀偏流喷管(E-D喷管)作为一种具有高度补偿效应的喷管,在一定程度上能够克服这一问题。E-D喷管的补偿能力源于自身特殊的型面结构,因此,研究E-D喷管的补偿机制,以及研究E-D喷管的不同结构参数对其性能的影响具有重要意义,可以为E-D喷管的设计提供理论基础。本文采用数值模拟方法研究E-D喷管的自动补偿原理和工作模态。主要研究环喉式E-D喷管和分散式E-D喷管及其结构参数对喷管性能的影响。环喉式E-D喷管的结构参数包括:膨胀比、收敛角、扩张段初始角、中心体尾锥角。分散式E-D喷管的结构参数包括:喉孔类型和喉孔数目。研究发现:两种E-D喷管的性能优于传统喷管,具有自动补偿能力。两种E-D喷管的工作模态是从低空“开放”模态转换到高空的“闭合”模态。结构参数对环喉式E-D喷管的影响:膨胀比小的环喉式E-D喷管在低空性能好,膨胀比大的环喉式E-D喷管在高空性能好;研究单一参数时,收敛角最佳角度为5度,扩张段初始角的最佳角度为65度,中心体尾锥角最佳角度为70度;收敛角和中心体尾锥角主要影响环喉式E-D喷管的低空性能;扩张段初始角主要影响环喉式E-D喷管的高空性能。结构参数对分散式E-D喷管的影响:带状6喉孔分散式E-D喷管性能优于带状4喉孔;带状喉孔的分散式E-D喷管性能优于圆孔式E-D喷管;喉孔类型和数目主要影响分散式E-D喷管的低空性能。因此,在设计E-D喷管时要综合考虑各个参数。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ7;V430
【图文】：

喷管,结构示意图,中心体

E-D 喷管的研究还一直停留在上世纪 90 年代，国内在 E-D 喷管的研究与国外相差甚远[24]，因此有必要开展 E-D 喷管性能的相关研究，探索工程化的可行性与实际应用方向。1.3 E-D 喷管的结构形式E-D 喷管是特殊的喷管，在结构上可分为：收敛段、扩张段和中心体三部分，收敛段是由中心体和外轮廓曲面共同构成(如：环喉式)或者直接由中心体构成（如:分散式），中心体是在喷管中心位置设置一个类似“堵盖”的装置，扩张段的结构与传统喷管类似都是曲面。根据中心体的不同，E-D 喷管又分为环喉式和分散式。1.3.1 环喉式 E-D 喷管环喉式 E-D 喷管的中心体是一个凸台式结构（如图 1.1（a）），其中心体是二维曲线绕中轴线旋转得到的回转体结构。对比传统喷管的结构，环喉式 E-D 喷管的收敛段是由中心体和外轮廓曲面共同构成，喉部位置在收敛段外轮廓圆弧曲面到中心体内圆弧曲面最小距离处，传统的拉法尔喷管则是喷管最小截面(如图 1.1（b）)。

结构图,分散式,喷管,结构图

如图1.2（c）和 1.2（d）所示。（a）中心体结构图（b）中心体透视图（c）整体结构图（d）整体透视图图 1.2 分散式 E-D 喷管结构图分散式 E-D 喷管影响其工作状态和性能的结构参数有很多，其中以喉孔类型（圆孔和带状喉孔）、喉孔数目为主要参数，因此，在研究结构参数对 E-D 喷管性能影响时着重考虑。

示意图,喷管,工作原理,示意图

图 2.1 E-D 喷管工作原理示意图2、E-D 喷管的工作模态工作模态如下图所示，气流从喷管入口进入，在收敛段和中心体相互作用下被压缩，后进入扩张段膨胀做功。由于外界压力变化，E-D 喷管的工作模态将会不同，分为“开”工作模态（如图 2.2（a）），以及“关闭”工作模态（如图 2.2（b））。在低空由于外压力大（e ap p），气流进入扩张段后发生偏转的角度小，形成的滑移层不相交；同，在高空环境，环境压力相对小（e ap p），气流进入扩张段后气流发生偏转的角度，滑移层相交（如图 2.2（b））。滑移层内的气流速度是超音速的，在滑移层外的气流域是亚音速回流区，因此 E-D 喷管就是通过流场的变化调节流场，以适应外界压力的化。在一定的高度范围内能保持较高的效率，且 E-D 喷管内不会产生正激波[29]。

【参考文献】