[科普中国]-气动矢量角

背景

推力矢量技术已成为近年来国内外航空技术的热点，尤其是轴对称矢量喷管具有结构简单，重量轻高效性，易于对现役飞机的改装等优点，成为国内外航空界的研究重点目前由于受试验条件的限制，仅局限于对矢量喷管进行静态或低速外流下的喷流试验，对高速外流下喷管动态偏转过程的试验更难以实现在实际飞行中，喷管的喷流和飞机外流之间必然存在着相互干扰，特别是喷流偏转过程中，飞机外流和喷管喷流形成强干扰，产生复杂的波系、涡系和分离流，这些复杂流动随着几何偏角的变化而变化。因此，有必要将矢量喷管内外流结合起来研究轴对称矢量喷管的动态偏转过程的矢量特性。1

喷管性能参数喷管的性能一般用流量系数和推力系数来描述。对矢量喷管而言，则需增加另一个基本性能参数，即气动矢量角，目的是用它来表示矢量喷管实际产生的矢量推力的方向。

流量系数：

总推力系数：

式中、分别是通过一维等熵公式计算出的理论流量和推力，而、分别为实际流量和推力，是通过数值计算得出。2

气动俯仰角：

气动偏航角：

轴对称矢量喷管气动矢量角研究目前实现推力矢量的方法主要是通过作动机构使收扩喷管扩张段偏转，从而使气流流动方向发生偏转。由于喷管偏转不仅改变了扩张段气流方向，而且使原喷管的喉部位置和喉部面积发生变化，对发动机工作匹配性和性能产生了影响，因而有必要发展一种准确预测模型，定量分析推力矢量对发动机性能的影响。基于这一考虑，朱燕从喷管扩张段偏转时喉部复杂的X-Y-Z平面几何关联关系出发,建立气动矢量角、流量系数和几何矢量角关系的数学模型，并将计算结果与实验数据和基于CFD方法建立的数学模型的计算结果进行对比。结果表明此方法在一定条件下具有工程计算可以接受的精度。

对以上4种喷管分别用几何关联数学模型和基于CFD方法建立的数学模型计算出在最佳压比下几何矢量角对气动矢量角和流量系数的影响，如图2～图9所示。对于第1种喷管，从图2可以看出，几何模型对喷管气动矢量角的预测略低于实验值。因为这种喷管没有加力燃烧室,但它的膨胀长度较长，扩张角较小，可达到最理想的膨胀程度。从图6中可以看出，对于加力时的长喷管，通过这种几何模型计算的气动矢量角与实验值几乎完全吻合。而图8和图9则显示出在加力状态，当喷管缩短时用这种几何模型计算的气动矢量角和流量系数误差较大。这是由于几何关联数学模型没有考虑流体粘性对喷管性能的影响，所以在面积比一定的条件下，喷管越短，喷管扩张角越大，计算的偏差也就越大。对比图3、图5、图7和图9,同样可以看出，长喷管比短喷管用几何关联数学模型对流量系数的计算结果好。3