中心体喷管气动特性研究

摘要：本研究针对超声速运输机的中心塞式喷管，经建模、仿真与试验，探究压力比、外流马赫数及几何结构对其气动性能的影响。结果显示喷管扩张度影响最大，相关调整可改善推力且与压力比匹配，为喷管设计提供技术储备。

关键词：中心塞式喷管；数值仿真；外罩长度；喷管扩张度

Abstract： This research focuses on the central plug nozzle of the supersonic transporter. Through modeling， simulation and testing， the influence of pressure ratio， external flow Mach number and geometric structure on its aerodynamic performance is explored. The results show that the nozzle expansion degree has the greatest impact. Relevant adjustments can improve thrust and match the pressure ratio， providing a technical reserve for the nozzle design.

Key Words： central-body nozzle;numerical simulation;shroud length;nozzle divergence

中心塞式喷管因其良好的性能从20世纪50年代以来受到青睐，国内外对该型喷管进行了大量研究与试验。1964年David Migdal[1]等人提出一种吹入式中心体喷管。1966年M.V.Herbert[2]对单流和双流中心体喷管系统进行了试验。1966年R.J.Herd[3]等人得出了中心体半角减小后喷管性能将提升的结论。1972年David Migdal[4]等人利用特征线法对中心体喷管进行了研究。1997年俞峻[5]等人得出喷管的型面方程对其性能影响较小。2002年戴梧叶[6]等人发现控制旋涡回流区改善中心体喷管性能。

一、计算方法及试验验证

1.计算模型

喷管模型总长为211.12mm，喉道截面距离喷管出口截面的距离29.3mm，中心体与轴线的倾斜角度为15°（图1）。

2.计算方法

本文采用Fluent软件进行流体模拟计算边界条件设置如图2所示。

3.网格无关性及三维效应验证

采用ICEM软件对喷管模型进行三维结构网格划分。选择三种网格尺寸为：24w、35w、41w，网格无关性验证如图3所示。最终选择的网格数量为35w。

二、计算结果分析

1.压力比对喷管性能影响

喷管压力比对喷管性能影响大，不同压力比下管内流动状态有别。本研究模拟了 150kpa、260kpa、350kpa 进口总压下喷管马赫数分布（图4、5、6）。

中心塞式喷管在 150kpa 进口总压时，气流因激波边界层干扰从塞子表面分离，形成分离泡[7]。这是由于此时喷管压力比相对扩张度较小，外罩出口静压远低于环境压力产生强激波，激波与塞子表面边界层相交导致气流壁面分离。分离泡使气流上移与上壁面接触，导致推力系数下降，可通过调整压力比或几何参数匹配来提升（图7）。

由不同总压马赫数云图可知，随着压力比增大，气流逐渐填充内通道，分离泡及壁面分离现象消失。此过程与常规轴对称收扩喷管类似，喷管推力先增后降。中心塞式喷管过膨胀时推力比轴对称收扩喷管大，因轴对称收扩喷管过膨胀时出口静压小会产生推力损失，而中心塞式喷管塞锥壁面压力始终有轴向分量，使其推力更大。

2.非平行外罩对喷管性能影响

非平行外罩喷管构型的马赫数云图如图8所示。非平行外罩相比平行外罩，其喷管内分离泡尺寸明显减小，利于改善推力性能。因外罩内偏改变扩张程度，出口面积变小，能更好匹配压力比，使喷流出口静压增大、激波强度减小，从而分离泡尺寸减小，最终提升推力性能。

3.外罩长度对喷管性能影响

通过对外罩进行伸缩，由此得到不同外罩长度下喷管内流场变化。图9、10为不同外罩长度的马赫数云图。外罩长度缩短时，喷流很好地“填充”了内通道，此时，壁面无分离泡产生。喷流从外罩唇口喷出后，直接接触环境压力，喷流可自动匹配环境压力。此状态类似于喷管的完全膨胀状态，管内无激波边界层干扰，此时无分离泡产生，喷管推力系数上升。外罩长度增加时，分离泡尺寸明显增大，气流完全从中心体表面分离。此时，喷流无法匹配环境压力，喷管扩张程度与喷管压力比也无法匹配，中心塞式喷管内流与常规轴对称收扩喷管流动状态相同，并且由于存在中心塞，分离泡尺寸增大，中心塞式喷管的性能在该状态下比轴对称收扩喷管差。

4.外流对喷管性能的影响

外流存在条件下，中心塞式喷管的马赫数云图由图3.12给出。通过与相同总压条件、无外流状态的喷管马赫数云图对比可得，外流存在条件下，喷管喷流外自由边界更加平行于外罩。由于存在超声速外流，喷管外罩处产生膨胀波，气流继续加速，环境压力下降，喷流喷出后，更好地匹配环境压力。此时，相对于无外流状态，喷管的推力系数是上升的。

三、结论

本文研究了不同压力比、几何外形以及外流对喷管性能的影响，通过数值仿真得到的结论如下：（1）喷管在小压力比条件下工作，塞子表面产生分离泡影响喷管推力性能，随着压力比增大，分离泡逐渐消失，喷管推力性能上升。（2）调整中心塞式喷管的外罩长度和角度，塞子表面的分离泡减小，喷管推力性能得到改善。几何参数调整的本质是与喷管压力比合理匹配。（3）外流存在条件下，引导喷流的膨胀程度增加，喷管的推力性能得到改善。

参考文献：

[1]Migdal D.，Horgan J.Thrust Nozzles for Supersonic Transport Aircraft[J].ASME Publ.1963.No 63.AHGT-73.

[2]HERBERT.M.V.Centre-Body Nozzles for Supersonic Transport Aircraft[J].RAS.1966.V.71.

[3]Herd R.J.，Golesworthy G.T.The Performance of a Centre-body Propelling Nozzle with a Parallel Shroud in External Flow. Part I[J].ARC CP.1966.No841.

[4]Migdal D.Supersonic Annular Nozzles[J].AIAA.1971.V.66.

[5]俞峻，何洪庆.环流喷管的轴对称湍流流场计算[J].推进技术，1997，18 （3）.

[5]戴梧叶，刘 宇，张正科.底部结构对塞式喷管性能的影响[J].宇航学报， 2002，23（2）.

[6]姚瑶，高波.入射激波边界层干扰分离流场结构研究[J].空气动力学学报， 2019，37（5）.

【作者简介】赵杰豪（1999.01-），男，汉族，山东淄博市人，沈阳航空航天大学航空宇航学院硕士研究生在读，主要研究方向：后体一体化设计技术。