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并联式TBCC排气系统的气动设计、性能研究及初步优化

作　者: 李超
导　师: 徐惊雷
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 非对称喷管 TBCC 排气系统数值模拟推力优化
分类号: V235
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文首先利用特征线法获得了二维非对称喷管型面的设计程序。设计过程中采用热理想气体模型,即Cp仅是温度的函数。考虑了燃气是混合气体的事实,其比热可根据燃气各个组分的比热得到。另外还讨论了不同余气系数下燃气比热随温度变化的规律。然后利用该程序,设计了一系列非对称喷管构形,讨论了不同非对称因子G和不同截短程度时喷管的性能,最后确定选择非对称因子G等于0.3,上壁面长度等于800mm,下壁面长度等于200mm的SERN截短型面,作为整个TBCC 排气系统的基准型面。在此基础之上,构建了二维上下并联式TBCC排气系统的气动方案以及几何调节方案。其次,对该排气系统气动方案进行了详细的二维流场计算研究,通过对计算结果的分析,本文认为在涡轮发动机单独工作时,冲压通道必须打开,并且确定了各个马赫数下唇口板角度的最佳位置。利用非定常模型以及动网格技术,对模态转换过程0～30s进行了数值模拟。结果显示,整个过程中排气系统推力平稳增加,用以平衡飞行姿态调整导致的阻力增加,总的推力系数也随时间的推移而逐渐增加;升力则在t=5s左右达到最大值之后,在涡轮发动机加力关闭过程中,突然降低。在Ma=3.0~4.0飞行范围内,推力系数在Ma=3.25左右达到最高,此时最接近理想膨胀;且欠膨胀时升力性能较好。最后还根据非支配排序遗传算法编制了多目标优化程序,并将其和商用计算流软件Fluent以及网格划分软件ICEM相结合,构成了流场参数的多目标优化平台。利用该平台,对利用下唇口二次流喷射改善SERN低马赫工况下性能的问题进行了初步优化。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-19
  1.1 研究意义  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-18
    1.2.1 日本TBCC 发动机发展现状  16-17
    1.2.2 美国TBCC 发动机发展现状  17-18
    1.2.3 我国TBCC 的研究进展  18
  1.3 本文研究内容  18-19
第二章设计方法  19-31
  2.1 问题的描述  19-23
    2.1.1 设计点参数  19-20
    2.1.2 Ma= 0～2.5 范围内各个典型工作点参数  20-21
    2.1.3 模态转换过程各个典型工作点参数  21-23
    2.1.4 Ma=2.5～4.0 范围内各个典型工作点参数  23
  2.2 设计方法  23-30
    2.2.1 设计思路  23-25
    2.2.2 设计方法  25-30
      2.2.2.1 SERN 的设计方法  25-29
      2.2.2.2 涡轮发动机喷管位置的确定  29-30
  2.3 小结  30-31
第三章冲压发动机喷管型面的选择  31-45
  3.1 燃气物性参数的计算  31-34
    3.1.1 燃气比热c_p 的计算  31-32
    3.1.2 燃气比热比γ的计算  32-33
    3.1.3 不同余气系数下燃气的c_p 和γ  33-34
  3.2 SERN 性能的初步研究  34-40
    3.2.1 数值模拟方法介绍  34-36
      3.2.1.1 FLUENT 软件介绍  34-35
      3.2.1.2 湍流模型及壁面函数  35-36
      3.2.1.3 非对称大膨胀比喷管算例校核  36
    3.2.2 非对称因子G 对SERN 性能的影响  36-40
      3.2.2.1 推力的计算  36-38
      3.2.2.2 非对称因子G 对SERN 性能的影响  38-40
  3.3 截短对SERN 性能的影响  40-43
    3.3.1 上下等比例截短  40-43
    3.3.2 下壁面进一步截短  43
  3.4 小结  43-45
第四章 TBCC 发动机排气系统性能计算  45-68
  4.1 TBCC 发动机排气系统二维气动方案  45-46
    4.1.1 TBCC 发动机排气系统性能参数的定义  45-46
    4.1.2 计算网格和边界条件  46
  4.2 涡轮发动机喷管设计点性能  46-48
  4.3 涡轮发动机单独工作时的性能  48-60
    4.3.1 冲压发动机通道自由通流时的流动状态  48-49
    4.3.2 下唇口板位置对排气系统性能的影响  49-60
  4.4 模态转换过程中排气系统的性能  60-65
  4.5 Ma=3～4 范围内排气系统的性能  65-67
  4.6 小结  67-68
第五章流场参数的多目标优化探索  68-87
  5.1 遗传算法的基本原理  68-76
    5.1.1 遗传算法的一般流程  68-69
    5.1.2 遗传算法的基本操作  69-70
    5.1.3 遗传算法的基本实现技术  70-76
      5.1.3.1 编码方法  70-71
      5.1.3.2 适应度函数  71-72
      5.1.3.3 选择算子  72-74
      5.1.3.4 交叉算子  74-75
      5.1.3.5 变异算子  75-76
  5.2 多目标优化  76-82
    5.2.1 数学描述  76-77
    5.2.2 Pareto 最优解  77-78
    5.2.3 非支配排序遗传算法（NSGA）  78-82
      5.2.3.1 快速非支配排序  78-79
      5.3.2.2 确定拥挤度  79
      5.3.2.3 拥挤度比较算子  79-80
      5.3.2.4 NSGA-Ⅱ算法流程  80-81
      5.3.2.5 优化实验  81-82
  5.3 流场参数的优化  82-86
    5.3.1 问题的描述  82-83
    5.3.2 优化算例  83-86
  5.4 小结  86-87
第六章结论与展望  87-89
  6.1 主要结论  87-88
  6.2 进一步工作的展望  88-89
参考文献  89-92
致谢  92-93
在学期间的研究成果及发表的学术论文  93

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