● 摘要
本文以飞行马赫数为0~4，飞行高度为0~25km的涡轮基组合循环（TBCC）发动机用单边膨胀喷管（SERN）为研究对象，采用数值模拟与试验相结合的方法，对其内部复杂流场结构、流动机理以及几何参数对推力性能的影响等问题开展了研究，此外对可调面积SERN进行了方案设计和探讨。首先，对SERN试验模型和排气扩压器进行了设计。在确定喷管模型主要几何参数以后，采用超椭圆方程对圆转矩过渡段内型面进行了设计，采用截短理想喷管和近似最大推力喷管设计方法获得了膨胀面型线。考虑到SERN喷流展向膨胀严重而且存在较大的推力矢量角，排气扩压器设计成收敛—平直通道，使扩压器进口平面包含喷管整个射流边界，超声速气流首先进入收缩段进行扩压然后在平直管道内通过激波串增压。采用新设计的排气扩压器之后，喷管试验台最大稳定落压比从原来的30提高到120左右，解决了高落压比SERN试验的关键技术问题。为了对SERN内部复杂流场结构、流动机理进行研究以及准确获得其总体性能参数，本文发展了一套三维数值模拟程序。控制方程为可压缩的N-S方程组和k-ω SST湍流模型；方程采用有限体积法离散，空间离散采用二阶精度差值的低耗散通量分裂格式（LDFSS），时间离散采用对称高斯-赛德尔（SGS）算法；利用消息传递的并行编程环境（MPI）实现了对复杂流动的高效并行计算。其中重点对几种主流的隐式算法进行了分析比较，此外将应力限制器Clim引入到k-ω SST湍流模型涡粘性系数定义中。在某些强激波/湍流边界层干扰流动中，对分离区内雷诺应力的生成项进行适当的限制后可以显著改善计算精度。实践表明，新发展的程序计算精度较高，适合于SERN内部复杂流动现象的机理研究和总体性能参数预测。本论文另外一个主要工作是采用数值模拟和试验相结合的方法研究了几何参数对SERN内特性和流场的影响。试验在专用喷管模型试验台进行，喷管试验落压比范围为4~70，模拟气体为高压常温空气，试验结果包括壁面静压分布和纹影照片。本文选取了六种不同的喷管几何参数进行研究，其中包括：膨胀面型线和长度、下腹板长度（内膨胀比）、整体气动流路、侧壁构型和喷管喉道宽高比。结果表明：（1）在设计点附近，对于全封闭式侧壁构型，膨胀面型线对推力系数影响很小；而侧壁构型为全开式时，曲壁模型性能要优于直壁模型；（2）长的曲壁模型拥有高Cfa的同时其俯仰矢量角δp较低，而且最高Cfa可达0.983，这与传统的轴对称喷管和二元收扩喷管相差不大；（3）下腹板的延伸对喷管推力是有益的，其中长的下腹板可以带来1%~2%的推力增益；（4）斜切喷管可以有效缓解喷管欠膨胀损失，拥有高的Cfa和低的δp；（5）部分封闭侧壁的性能要略微高于全封闭式侧壁；此外，相比于全开式短侧壁，其Cfa的优势在2%左右；（6）大的喷管喉道宽高比拥有高的Cfa同时δp处于较低的水平。最后，本文对可调面积SERN进行了方案设计。首先对几种不同的SERN喉道面积调节方案进行了比较分析，然后提出了双连杆可调面积SERN设计方案并分析了其优缺点。在此基础上又提出了差动式可调面积SERN设计方案，其主要特点包括：（1）膨胀面分为可调膨胀面和固定膨胀面；（2）流量变化范围完全满足发动机要求而且在宽广的飞行包线内都具有较高的推力性能；（3）在面积调节过程中，整个气动流路是光滑的；（4）采用盒形结构以及加矩形截面横梁等手段解决了悬臂梁式矩形喷管的刚性问题。这为以后的工程性试验件和工程产品设计打下了较好的基础。