高速射流的附壁效应与推力矢量控制研究

Coanda effect is a phenomenon of a jet flow attaching itself to a nearby surface, which can be use to achieve thrust vectoring. Based on previous work, the applicants propose that the vectoring control can be achieved at low energy expense by the combined use of Coanda effect and co-flow active flow control, which makes a new fluidic thrust vectoring control method. To achieve this goal, three aspects of study will be carried out in this research: (1)developing new turbulence model dealing with flow compressibility and streamline curvature, building numerical solver of high accuracy for strong shearing jet flow. (2)numerical simulations on free jet, co-flow parallel jets and wall offset jet respectively, study on the flow characteristics of high speed jet and its variations with multiple parameters, revealing the intrinsic flow mechanism of jet’s Coanda effect. (3)exploring jet vectoring methods for high speed jets by employing aft-deck wall and co-flow jet control techniques, developing flow control strategies for fluidic thrust vectoring. With the studies above, the basic knowledge of Coanda effect will be enriched and the technology of fluidic thrust vectoring will be developed based on the effect.

射流附壁效应可以用来改变射流方向，实现推力转向。结合前期工作，申请者提出，如果合理利用射流跟随固壁这一特点，结合同向流主动流动控制，可望在较小能量输入的代价下实现对高速射流的矢量化控制，从而建立一种新的流体推力矢量控制方法。为了达到这一目标，本项目分以下三步进行研究，（1）首先发展考虑流动压缩性、流线弯曲等效应的湍流计算方法，建立射流强剪切流场的精细化数值模拟手段；（2）采用数值模拟方法，对自由射流、同向平行射流和壁面约束下的射流开展对比研究，获取高速射流在同向二次射流或壁面诱导下的流动特性和参数影响规律，揭示射流附壁效应的内在流动机理；（3）结合后缘壁面设计和二次流控制，探索高速射流的矢量化控制方法，建立流体推力矢量的控制策略。通过以上研究，一方面可丰富射流附壁效应的基础理论，另一方面可为发展基于附壁效应的流体推力矢量技术提供科学依据。

流体推力矢量是通过气流抽吸、引射等方式控制发动机尾喷流实现推力转向，有望取代机械推力矢量喷管的一种主动流动控制技术。理想的流体推力矢量控制方法应当具有矢量效率高、推力损失小及流量系数大等特征，本项目围绕基于流体附壁效应的推力矢量控制开展研究，该方法在喷流出口下游进行控制,对主流的干扰很小,显示了很好的应用前景。本项目完成了三个方面的研究内容。（1）发展了高速射流的CFD数值模拟方法，通过模拟自由射流扩散对方法进行了验证。（2）设计了射流附壁效应的研究模型，采用数值模拟手段，探讨了射流发生附壁现象的作用规律和流动机理。（3）开展了利用射流附壁效应的流体推力矢量控制方法研究，发展了基于二次流的主动流动控制方法。研究结果表明，采用常规湍流模型的CFD方法计算得到的射流扩散过快，采用湍流的可压缩修正，或者DES分离涡模拟技术后，得到的射流衰减特征与试验一致。射流的附壁效应研究获得了射流附壁长度变化规律，其中射流附壁长度的强相关因素有喷管落压比、射流膨胀状态、后缘板曲率半径等，弱相关因素有雷诺数、喷口形状等。最后，通过在喷管出口下游增加后甲板和二次流控制，实现了对高速射流的矢量偏转控制，对音速喷管和超声速喷管高速射流有效，并且在主流压比NPR=1.5~4范围内连续可控。本项目研究建立了一种新的基于射流附壁效应的流体推力矢量控制方法，能够同时适用于收敛喷管和收敛-扩张喷管, 其中收敛喷管达到的最大矢量偏角为11.3°，对应的最大推力损失为6.7%，达到了预期的研究目标。研究中获得的射流附壁长度的参数影响规律具有一定的普适性，可以用于指导推力矢量的控制方案设计，适用于逆流推力矢量或其他基于后缘壁面的流体推力矢量控制方法。研究表明当前制方法适用于三维矩形喷管和俯仰单个方向的矢量控制，至于俯仰/偏航控制或任意方向的矢量控制还需进一步的研究。