● 摘要
本文以浮动式喷管为研究对象，建立合适的参数化设计方法，对刚性的浮动外调节片引射喷管和考虑弹性形变的浮动扩张段喷管进行定比热和变比热数值模拟，并对流场进行分析，旨在探索并得到其气动特性的变化规律，为今后的研究提供参考。
首先，利用本文使用的数值方法对不同的常规轴对称喷管冷态内外流场开展了数值模拟工作，通过对比发现与试验数据良好吻合。在过膨胀工况下，喷管内部流场复杂，同时存在激波和附面层分离现象，而计算结果依然与试验测试的数据相一致，说明本文所使用的数值方法具有一定的可信度。此外，也计算了多种气体的比热比与温度之间的关系，并通过超高声速圆柱绕流模拟发现与实际情况更为符合，验证了本文变比热计算程序的正确性。
其次，研究了某型发动机浮动外调节片引射喷管，其外调节片是刚性体，其位置并随着气流参数的改变而发生变化。建立了浮动外调节片引射喷管参数化设计和网格快速生成的方法，以高温燃气为工质对其进行数值模拟，推导了气体比热比γ随温度和气体组分变化时喷管理想流量和理想推力公式。以定比热计算为基准，对比研究了考虑变比热比对外调节片浮动位置、喷管内外流场和气动性能的影响。结果表明：考虑变比热时气流膨胀更困难，喷管流量和流量系数降低；主喷管温度升高，出口气流速度减小压力增大，导致浮动外调节片收敛角度变小，引射通道面积增加，但引射的环境气流量降低，主喷管壁面外部冷却效果变差，不利于喷管的热防护。
最后，对某型发动机轴对称浮动扩张段喷管进行了研究，其中扩张段是浮动可调的，其位置随着气流参数的变化而改变，此外喷管外罩是柔性的，需要考虑气动变形。对此，建立了轴对称浮动扩张段喷管参数化设计和网格快速生成的方法，发展静气动弹性迭代计算方法并通过了ANSYS受力变形的验证。通过多次扩张段和外罩静气动弹性的迭代计算，得到给定参数下的扩张段位置、喷管外罩的形态及喷管的性能。研究结果表明：相比定比热流场计算结果，考虑变比热时喉道以前气流膨胀更困难，而喷管扩张段角度变大，有利于气流膨胀，进而导致喷管流量和推力系数变化很小。同时变比热计算的实际流量减小，为了满足发动机的流量需求，须调大喉道面积。