基于横向次流喷射的排气系统气动矢量和红外辐射耦合机理研究

The comprehensive design of an exhaust system with thrust vectoring & stealth (TVS) is gradually becoming a new developing tendency, due to the critical technology demands of advanced fighter, such as super agility, wide flight envelop and enhanced stealth, on the exhaust system. But the investigation on thrust vectoring and stealth of an exhaust system based fluidic thrust control method is relatively independent nowadays, and the coupling mechanism of fluidic thrust vectoring & stealth is generally lack of concern. In this project, the unsteady interaction effects of secondary flow and primary flow would be conducted numerically and experimentally. The evolutions of complex flow structures including shock waves and vortices in confined space and at positive pressure gradient, and their effects on the coupling mechanism of fluidic thrust vectoring & stealth of an exhaust system based on shock vector control (SVC) would be deeply explored. The impact mechanism of muli-parameters and multi-conditions on the fluidic thrust vectoring & stealth would be obtained, and the relation between fluidic thrust vectoring & stealth and the geometric and aerodynamic parameters of primary and secondary flow would be quantified. The significance of interacted parameters on fluidic thrust vectoring & stealth would be estimated, and the method to eliminate the negative correlation of fluidic thrust vectoring & stealth by modifying the concerned parameters would be proposed. The investigation results can provide technical support for the design of an exhaust system of an advanced propulsion system with high thrust to weight ratio.

为实现大机动、宽速域、强隐身等先进战机对排气系统的关键技术要求，综合考虑推力矢量和隐身性（Thrust Vectoring & Stealth, TVS）的排气系统设计理念正逐渐成为发展新趋势。然而，目前基于气动矢量控制的轻质、高效排气系统的推力矢量和隐身研究是独立的，对二者耦合机理的研究缺乏关注。本申请拟采用实验测量和数值模拟相结合的方式，开展受限空间内、顺压力梯度下二次流与主流的非定常作用机制研究，阐明包含激波、涡系等在内的复杂流场结构演化下基于激波矢量（SVC）的TVS排气系统气动矢量和红外辐射耦合机理；诠释多参数、多工况下气动矢量和红外辐射的变化规律，建立气动矢量和红外辐射与主/次流气动几何多参数间的关联关系；定量评定多参数关联对气动矢量和红外辐射影响显著性，建立通过调整多设计参数消除气动矢量和红外辐射负相关的方法。为高推重比推进器用排气系统多学科一体化设计提供理论支撑。

气动矢量和隐身（TVS）一体化设计是未来排气系统的重要研究方向之一。探索二次流与主流之间相互作用的物理现象发生机制及多场耦合效应，是开展综合考虑TVS的新型排气系统设计的关键。本研究重点关注复杂流场结构的发展与演化对推力矢量和红外辐射耦合特性的影响机理，建立排气系统关键几何参数、主/次流关键气动参数与气动和红外特性之间的关联关系，从流动机理、性能关联及优化评估等三个方面，研究带气动矢量的排气系统推力矢量和红外辐射耦合特性研究。.通过大量数值模拟和部分模型试验研究，指出激波矢量喷管实现推力矢量的本质是横向射流造成上下壁面压力的非对称分布，其流动机理属于顺压力梯度下、受限空间内的超音速中横向射流问题；数值模拟了流场中因流动分离、剪切层等因素造成的不稳定特性，其中流动不稳定性的主频约为2.0 kHz及4.0 kHz；分析了各气动、几何参数对激波矢量喷管内流特性及推力矢量影响的本质，并获得了激波矢量喷管推力动态响应特性。.基于离散传递法，建立激波矢量喷管红外辐射计算程序，分离出了壁面及燃气对空间探测点红外辐射强度的贡献；研究了低涵道比涡扇发动机用激波矢量喷管的红外辐射特性；得出了内涵进口及高温燃气是影响激波矢量喷管红外辐射强度的关键因素；.阐释了激波矢量喷管气动矢量和红外辐射耦合的本质，即二次流喷射形成的射流深度、热斑、流向涡量等使得主流偏转、加速燃气的冷却及组分的扩散。对比了不同二次流喷口位置对红外辐射特性的影响，不同构型激波矢量喷管红外辐射强度的区别主要集中在大探测角度处，在窄边及宽边探测面上、探测角度|α|[40º-90º]的区间内，Xj=0.516构型比Xj=0.688构型红外辐射强度分别约大18%-100%及40%-107%；.基于试验设计、响应面近似建模等方法，建立了激波矢量喷管气动矢量及红外辐射特性的近似建模，获得了影响参数间的耦合影响关系，并通过寻优方法，在推力系数及二次流折合流量限制下（Cfg≥0.90， ≤0.15），分别得到了最优的推力矢量角δp.max=19.81º，同时红外辐射特性比基准喷管下降平均35%。