基于多场融合特征的超紧凑S弯收扩喷管复杂流动机理研究

The compact serpentine convergent-divergent (CD) nozzle which is applicable for the new generation fighter presents the complex flow-field characteristics of coupled flow separation of multi-zone. The investigation on the flow mechanism of compact serpentine CD nozzle based on the aerodynamic/infrared coupled characteristics is the important theory basic to develop the design method of this kind of nozzles. The complex flow mechanism and the flow controlling methods will be conducted in this program, the main contents are as follows: 1) the investigation on the qualification and mechanism of shock and separation for the compact serpentine CD nozzle; 2) the study on the flow mechanism of the compact serpentine nozzle; 3) the investigation of infrared radiation characteristics of the compact serpentine CD nozzle; 4) the study of flow controlling methods of the compact serpentine CD nozzle. The critical parameters which has an effect on the upstream shock wave and flow separation of the convergent paragraph during the large offset distance design progress will be proved up. The effect of the flow separation and the coupled function of upstream convergent paragraph and downstream divergent paragraph on the inner flow and infrared radiation signatures will be obtained. The applicable methods for improving the flow characteristics of the nozzle such as active flow and passive flow technology will be explored based on the flow and infrared radiation signatures coupled characteristics of the compact serpentine CD nozzle. The aerodynamic/infrared coupled characteristics of the compact serpentine nozzle will be cognized clearly through this program. That will be the basic for the further work to investigate the design method of this kind of nozzle and flow control.

适用于新一代战机的超紧凑S弯收扩喷管具有多区域流动分离耦合叠加的复杂流场特征。基于气动/红外融合特征，开展超紧凑S弯收扩喷管流动的机理性研究，是建立此类喷管设计方法的重要理论基础。本项目对超紧凑S弯收扩喷管复杂流动机理及控制方法研究，主要内容包括：1）超紧凑S弯收扩喷管收敛段激波与流动分离产生条件及机理研究；2）超紧凑S弯收扩喷管流动机理研究； 3）超紧凑S弯收扩喷管红外辐射特征研究；4）超紧凑S弯收扩喷管流动控制方法研究。摸清大偏距设计中影响上游收敛段激波和分离流动的关键参数；掌握S弯收扩喷管收敛段和扩张段分离流及其耦合效果对管内流动和红外辐射信号的影响机理；开展基于超紧凑S弯收扩喷管气动/红外融合特征分析，探索使用主、被动流动控制改善喷管流场的可行性及途径。通过此项研究，对超紧凑S弯收扩喷管的内部流动的气动/红外融合特征建立清晰的认识，为后续开展该类喷管的设计和流动控制技术的研究奠定理论基础。

极端隐身性能被视作第六代战机的关键技术，综合考虑战机对宽飞行包线和高机动性能的需求，提出了超紧凑双S弯收扩喷管的概念。S弯喷管可大幅降低航空发动机排气系统的红外辐射强度，显著增强飞机的隐身能力。本项目开展了S弯喷管型面设计方法、复杂流动机理、参数影响规律、红外辐射特性及流动控制方法研究。. 通过数值模拟结合模型试验的方法，详细分析了S弯喷管内的复杂流场特征，分析了不同几何、气动参数对喷管性能的影响。结果表明：超紧凑双S弯收扩喷管沿程截面Ma数分布存在明显的不均匀性；在喷管第一弯上壁面及第二弯下壁面附近存在局部加速区域；气流经过第一个S弯通道后，在下游产生流动分离，且在喷管喉部和出口截面上存在横向涡的分布。随着喉部宽高比的增大，喷管的气动性能参数先增大后减小，其中喷管内部的摩擦损失随着宽高比的增大而增大，局部损失随着宽高比的增大而减小。. 本项目详细地分析了S弯喷管的红外辐射机理、几何参数的影响。研究表明，较小的两弯轴向长度比会增加垂直探测面下方的红外辐射强度。S弯通道的中心线采用“均匀”变化规律时，喷管的红外辐射强度最小。第一弯几何设计参数对S弯喷管红外辐射特性的影响较小。出口宽高比对S弯喷管红外辐射特性的影响较大，随着出口宽高比的增加，S弯喷管在水平探测面上的燃气红外辐射强度逐渐减小。遮挡率和可见面积比可以用作评价S弯喷管对排气系统红外辐射强度的抑制效果的关键参数。. 针对喷管第一弯处的流动分离现象，开展了吸气和吹气式流动控制方法研究。分析了吹吸气位置、角度和压比等参数对控制效果的影响。结果表明，吸气控制不能完全吸除分离区，但可以较大程度上减小分离区的尺度；吸气压比和吸气角度需要满足能使流体由于改变运动方向造成的流动损失尽量小的条件；吹气位置后移，流动分离区域减小，在分离区中部以小角度吹气时，吹气点下游流动分离现象消失；吹气角度过大，容易形成“气动墙”，反而恶化喷管性能。