基于雙級(jí)二次流射流的流體推力矢量偏轉(zhuǎn)控制

張鑒予，杜 海，范嘉康，王天宇，王可心，李 婧，胡佳玉

（1.西華大學(xué)西華學(xué)院,四川 成都 610039；2.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039；3.西華大學(xué)航空航天學(xué)院,四川 成都 610039；4.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都 610039）

流體推力矢量技術(shù)(fluidic thrust vectoring，F(xiàn)TV)作為一項(xiàng)在飛行器姿態(tài)控制方面極具活力的技術(shù)，擁有十分可觀的開發(fā)前景[1-2]。其主要特點(diǎn)在于通過(guò)流動(dòng)控制手段控制、改變主流的方向及大小，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力方向進(jìn)行調(diào)整，最終得到飛行器姿態(tài)控制所需的力和力矩以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器自身姿態(tài)的控制。依托流體推力矢量技術(shù)，飛行器可以實(shí)現(xiàn)其原本無(wú)法做到的機(jī)動(dòng)性能，還可以獲得大迎角飛行的能力[3-4]。

相較于傳統(tǒng)的機(jī)械式推力矢量技術(shù)，流體推力矢量技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、響應(yīng)快速等重要優(yōu)勢(shì)[5-7]。目前，流體推力矢量技術(shù)在提高航空器的飛行性能、增強(qiáng)軍用航空器生存能力等方面均已有所運(yùn)用[8-9]，而如何提高流體矢量控制效率、增大流體矢量偏轉(zhuǎn)角則是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

中國(guó)民航大學(xué)佟川等[10]提出了一種基于Coanda效應(yīng)的無(wú)源流體推力矢量噴管并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明通過(guò)外界大氣壓力完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主射流的矢量偏射控制。南京航空航天大學(xué)龔東升[11]對(duì)一種基于微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱噴流的無(wú)源流體推力矢量噴管的控制規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該構(gòu)型噴管可實(shí)現(xiàn)主射流連續(xù)可控偏轉(zhuǎn)，最大流動(dòng)矢量角為-12.3°、12.3°，最大推力矢量角為-12.9°、12.8°，控制規(guī)律接近線性且不存在主射流偏轉(zhuǎn)突跳問(wèn)題。南京航空航天大學(xué)曹永飛等[12]制作了一款基于被動(dòng)二次流的二元流體式推力矢量噴管并進(jìn)行射流偏轉(zhuǎn)比例控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明改變控制縫入口面積可以達(dá)成對(duì)主流矢量偏轉(zhuǎn)的比例控制，最大推力矢量角為19°。

流體推力矢量技術(shù)在理論和應(yīng)用上都有大量的研究[13-15]。由于單級(jí)二次流注入后僅能使主流產(chǎn)生一次偏轉(zhuǎn)，因此無(wú)法對(duì)主流偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生持久影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文從多次偏轉(zhuǎn)的設(shè)想出發(fā)，提出一款雙級(jí)流體式推力矢量噴管，通過(guò)浮子流量計(jì)對(duì)二次流的流量進(jìn)行定量控制，獲得了不同二次流流量吹氣時(shí)主流矢量偏轉(zhuǎn)結(jié)果，驗(yàn)證了采用雙級(jí)二次流對(duì)主流進(jìn)行矢量控制的方案，并通過(guò)煙流流動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)應(yīng)的流動(dòng)控制機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與觀測(cè)裝置

本研究在西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的射流式風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

主流由射流式風(fēng)洞提供，流量范圍為748～2 617 m3/h。利用變頻器對(duì)射流風(fēng)洞風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以達(dá)到調(diào)節(jié)主流流量的目的。二次流由XGB-漩渦氣泵提供，流量范圍為0～330 m3/h。采用浮子流量計(jì)調(diào)節(jié)二次流流量，其量程為1.6～16 m3/h。

煙流觀測(cè)系統(tǒng)由低頻激光發(fā)生儀、高速動(dòng)態(tài)記錄儀及示蹤粒子發(fā)煙機(jī)組成。系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)煙機(jī)釋放出藍(lán)色氣霧體，主流裹挾氣霧體前進(jìn)，并在激光光幕上顯現(xiàn)出其流向，隨后利用高速動(dòng)態(tài)記錄儀對(duì)煙流進(jìn)行觀測(cè)，待煙流流動(dòng)基本穩(wěn)定且持續(xù)一段時(shí)間后進(jìn)行拍攝以獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。高速動(dòng)態(tài)記錄儀頻率為15 Hz，單次記錄時(shí)間為190 μs，拍攝區(qū)域空間為260 mm×320 mm。

2 雙級(jí)二次流矢量噴管模型設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值仿真設(shè)計(jì)

北京航空航天大學(xué)的吳盟等[16]、空軍工程大學(xué)的徐學(xué)邈等[17]以及中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院的張澤遠(yuǎn)等[18]對(duì)二次流和主流的夾角與主流矢量偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在相同二次流總壓條件下，帶一定角度的逆流注入比順流注入對(duì)主流偏轉(zhuǎn)的影響更大，當(dāng)二次流方向與主流方向夾角呈130°～150°時(shí)可以得到13°～18°的主流矢量偏角。因此，為使每級(jí)二次流均與主流流向呈135°，本文在設(shè)計(jì)噴管模型時(shí)將第一級(jí)二次流角度設(shè)置為與軸線呈135°，第一級(jí)二次流注入主流會(huì)使主流向上偏轉(zhuǎn)約15°，故將第二級(jí)二次流角度設(shè)置為與軸線呈110°。

此外，為了在二次流設(shè)備可以提供的有限流量條件下獲得盡可能大的體積流量比調(diào)整區(qū)間，二次流入口尺寸參數(shù)最終設(shè)定為3 mm×200 mm。利用建模軟件和網(wǎng)格繪制軟件對(duì)模型進(jìn)行制作。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，將面網(wǎng)格最小尺寸設(shè)定為 0.25 mm，最大尺寸設(shè)定為3 mm，過(guò)度比設(shè)定為0.272，增長(zhǎng)率設(shè)定為1.2，邊界層設(shè)置兩層，網(wǎng)格繪制數(shù)目約為 300 000。邊界條件為：設(shè)置主流入口面和4 個(gè)二次流入口面為計(jì)算輸入，其余面均設(shè)置為壁面并抑制固體區(qū)域，僅對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行計(jì)算。模型流體域三維體網(wǎng)格如圖2 所示。

圖2 流體域三維體網(wǎng)格圖Fig.2 3D volume grid in fluid domain

利用繪制的體網(wǎng)格通過(guò)CFD 仿真模擬軟件分別對(duì)單獨(dú)1 號(hào)控制縫吹氣和單獨(dú)2 號(hào)控制縫吹氣進(jìn)行仿真計(jì)算，圖3、4 為仿真結(jié)果。圖中Qv1/Qv主為1 號(hào)控制縫二次流與主流體積流量比，Qv2/Qv主為2 號(hào)控制縫二次流與主流體積流量比。由圖可知，主流矢量偏轉(zhuǎn)角大小隨著二次流與主流體積流量比的增加而增大，基本呈線性變化。

圖3 流體域仿真結(jié)果示意圖（上偏）Fig.3 Schematic diagram of fluid domain simulation results(upward deflection)

圖4 流體域仿真結(jié)果示意圖（下偏）Fig.4 Schematic diagram of fluid domain simulation results(downward deflection)

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙級(jí)流體式推力矢量噴管相關(guān)參數(shù)是在仿真模型參數(shù)基礎(chǔ)上細(xì)化得到，其由內(nèi)噴管與擴(kuò)張段兩個(gè)主要部分構(gòu)成。內(nèi)噴管出口高h(yuǎn)=130 mm，寬w=200 mm，擴(kuò)張段與水平方向呈30°。噴管設(shè)置兩級(jí)控制縫，每級(jí)控制縫由上下兩道二次流控制縫組成，每道控制縫尺寸為3 mm×200 mm。此外，通過(guò)CFD 仿真發(fā)現(xiàn)兩級(jí)控制縫出口間距小于100 mm 時(shí)，二次流氣體會(huì)有明顯干擾，間距大于150 mm 時(shí)，會(huì)因距離過(guò)遠(yuǎn)而難以保證“接力”的作用效果。因此，設(shè)定兩級(jí)控制縫出口間距為125 mm。

第一級(jí)控制縫位于距內(nèi)噴管入口50 mm 處，二次流方向與軸線的夾角為135°。第二級(jí)控制縫位于距內(nèi)噴管入口178 mm 處，二次流方向與軸線的夾角為110°。噴管模型參數(shù)如圖5、6 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推室暿疽鈭DFig.5 Schematic diagram of the sectional view of the experimental model

圖6 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿S示意圖Fig.6 3D schematic diagram of the experimental model

3 單級(jí)射流控制下的推力矢量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 單級(jí)射流控制下的煙流觀測(cè)結(jié)果

本組實(shí)驗(yàn)為單級(jí)射流控制下主流偏轉(zhuǎn)煙流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。在射流式風(fēng)洞涵道風(fēng)扇入口處布置示蹤粒子發(fā)煙機(jī)，實(shí)驗(yàn)開始后示蹤粒子發(fā)煙機(jī)發(fā)生煙霧，主流裹挾煙霧通過(guò)噴管模型，同時(shí)利用高速動(dòng)態(tài)記錄儀連續(xù)進(jìn)行拍攝并對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行偏轉(zhuǎn)角度標(biāo)定處理。

首先進(jìn)行無(wú)偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)?？刂浦髁髁髁繛?90 m3/h，1 至4 號(hào)控制縫全部保持封閉，觀測(cè)證明主流穩(wěn)定無(wú)偏轉(zhuǎn)，如圖7 所示。

圖7 無(wú)偏觀測(cè)圖Fig.7 Observation chart of no deflection

然后進(jìn)行有偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。主流流量仍保持為390 m3/h，2、3、4 號(hào)控制縫全封閉，僅打開1 號(hào)控制縫，通過(guò)浮子流量計(jì)對(duì)1 號(hào)控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv1/Qv主）進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，觀測(cè)主流偏轉(zhuǎn)情況，結(jié)果如圖8（a）—（c）所示。

圖8 單級(jí)上偏觀測(cè)圖Fig.8 Observation chart of single-stage upward deflection

隨后封閉1、3、4 號(hào)控制縫，僅打開2 號(hào)控制縫，通過(guò)浮子流量計(jì)對(duì)2 號(hào)控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv2/Qv主）進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，觀測(cè)主流偏轉(zhuǎn)情況，結(jié)果如圖9（a）—（c）所示。

圖9 單級(jí)下偏觀測(cè)圖Fig.9 Observation chart of single-stage downward deflection

3.2 單級(jí)射流控制下的矢量偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析

本組實(shí)驗(yàn)以單級(jí)控制縫吹入二次流氣體，其原理在于二次流吹入主流后會(huì)繼續(xù)貼著噴管壁流動(dòng)，因此導(dǎo)致二次流控制縫后方區(qū)域氣流流速變大，使得該處壓強(qiáng)出現(xiàn)顯著下降，最終使主流上下側(cè)出現(xiàn)壓力差，進(jìn)而導(dǎo)致主流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

本文在模型的關(guān)鍵壓強(qiáng)變化區(qū)域所對(duì)應(yīng)的上壁面或下壁面處沿垂直方向打孔并安裝測(cè)壓管，圖10 為測(cè)壓打孔點(diǎn)位分布示意圖。通過(guò)DSA3217/16Px 數(shù)字傳感器陣列及DSALink4v101 軟件分別在主流上偏和下偏時(shí)對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)壓，結(jié)果如表1、2 所示，測(cè)壓數(shù)值為實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下200 組結(jié)果取平均值。由表1 可知上偏轉(zhuǎn)時(shí)1 號(hào)控制縫后方點(diǎn)位出現(xiàn)明顯低壓區(qū)，由表2 可知下偏轉(zhuǎn)時(shí)2 號(hào)控制縫后方點(diǎn)位出現(xiàn)明顯低壓區(qū)，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)原理相符。

表1 單級(jí)上偏測(cè)壓結(jié)果表Tab.1 Pressure measurement results of single-stage upward deflection

圖10 單級(jí)射流控制構(gòu)型測(cè)壓點(diǎn)位圖Fig.10 Pressure measuring point bitmap of single-stage jet control configuration

為進(jìn)一步研究單級(jí)二次流控制規(guī)律，保持主流流量為390 m3/h，2、3、4 號(hào)控制縫全封閉，1 號(hào)控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h逐級(jí)遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進(jìn)行21 次主流偏轉(zhuǎn)煙流觀測(cè)并對(duì)煙流觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行角度標(biāo)定。圖11 為單獨(dú)1 號(hào)控制縫控制時(shí)主流矢量偏轉(zhuǎn)角度變化規(guī)律示意圖。

圖11 單級(jí)上偏煙流測(cè)量角度變化圖Fig.11 Variation diagram of measuring angles of singlestage upward deflection smoke flow

隨后，保持主流流量為390 m3/h，1、3、4 號(hào)控制縫全封閉，2 號(hào)控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h 逐級(jí)遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進(jìn)行21 次主流偏轉(zhuǎn)煙流觀測(cè)并對(duì)煙流觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行角度標(biāo)定。圖12 為單獨(dú)2 號(hào)控制縫控制時(shí)主流偏轉(zhuǎn)角度變化規(guī)律示意圖。

圖12 單級(jí)下偏煙流測(cè)量角度變化圖Fig.12 Variation diagram of measuring angles of singlestage downward deflection smoke flow

由圖11、12 可知，上側(cè)控制縫可控制主流向上偏轉(zhuǎn)，下側(cè)控制縫可控制主流向下偏轉(zhuǎn)。此外，隨著二次流吹入氣體與主流體積流量比的提升，主流的矢量偏角增大，在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)Qv1/Qv主=0.021時(shí)，得到向上最大偏角為8.9°，當(dāng)Qv2/Qv主=0.021時(shí)，得到向下最大偏角為7.4°。

4 雙級(jí)射流控制下的推力矢量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 雙級(jí)射流控制下的煙流觀測(cè)結(jié)果

保持1 號(hào)控制縫吹入二次流與主流為最優(yōu)體積流量比（Qv1/Qv主=0.021)，關(guān)閉2、4 號(hào)控制縫，打開3 號(hào)控制縫。通過(guò)浮子流量計(jì)對(duì)3 號(hào)控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv3/Qv主）進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，觀測(cè)主流偏轉(zhuǎn)情況，結(jié)果如圖13（a）—（c）所示。

圖13 雙級(jí)上偏觀測(cè)圖Fig.13 Observation chart of double-stage upward deflection

隨后保持2 號(hào)控制縫吹入二次流與主流為最優(yōu)體積流量比（Qv2/Qv主=0.021)，關(guān)閉1、3 號(hào)控制縫，打開4 號(hào)控制縫。通過(guò)浮子流量計(jì)對(duì)4 號(hào)控制縫吹入的二次流與主流體積流量比（Qv4/Qv主）進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，觀測(cè)主流偏轉(zhuǎn)情況，結(jié)果如圖14（a）—（c）所示。

4.2 雙級(jí)射流控制下的矢量偏轉(zhuǎn)規(guī)律分析

本組實(shí)驗(yàn)原理與單級(jí)射流控制下的矢量偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)原理相同。本文在模型的關(guān)鍵壓強(qiáng)變化區(qū)域所對(duì)應(yīng)的上壁面或下壁面處沿垂直方向打孔并安裝測(cè)壓管，圖15 為測(cè)壓打孔點(diǎn)位分布示意圖。通過(guò)DSA3217/16Px 數(shù)字傳感器陣列及DSALink4v101軟件分別在主流上偏和下偏時(shí)對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)壓，結(jié)果如表3、4 所示，測(cè)壓數(shù)值為實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下200 組結(jié)果取平均值。由表3 可知上偏轉(zhuǎn)時(shí)1、3 號(hào)控制縫后方點(diǎn)位出現(xiàn)明顯低壓區(qū)，由表4 可知下偏轉(zhuǎn)時(shí)2、4 號(hào)控制縫后方點(diǎn)位出現(xiàn)明顯低壓區(qū)，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)原理相符。

表3 雙級(jí)上偏測(cè)壓結(jié)果Tab.3 Pressure measurement results of double-stage upward deflection

表4 雙級(jí)下偏測(cè)壓結(jié)果Tab.4 Pressure measurement results of double-stage downward deflection

圖15 雙級(jí)射流控制構(gòu)型測(cè)壓點(diǎn)位圖Fig.15 Pressure measuring point bitmap of double-stage jet control configuration

為進(jìn)一步研究雙級(jí)二次流控制規(guī)律，保持主流流量為390 m3/h，1 號(hào)控制縫吹入二次流與主流為最優(yōu)體積流量比（Qv1/Qv主=0.021)，2、4 號(hào)控制縫全封閉，3 號(hào)控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h 逐級(jí)遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進(jìn)行21 次主流偏轉(zhuǎn)煙流觀測(cè)并對(duì)煙流觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行角度標(biāo)定。圖16 為1、3 號(hào)控制縫控制時(shí)主流偏轉(zhuǎn)角度變化規(guī)律示意圖。

圖16 雙級(jí)上偏煙流測(cè)量角度變化圖Fig.16 Variation diagram of measuring angles of doublestage upward deflection smoke flow

保持主流流量為390 m3/h，同時(shí)2 號(hào)控制縫吹入二次流與主流為最優(yōu)體積流量比（Qv2/Qv主=0.021)，1、3 號(hào)控制縫全封閉，4 號(hào)控制縫吹入二次流，流量從1.2 m3/h 開始以0.3 m3/h 逐級(jí)遞增，直到7.2 m3/h 為止，總共進(jìn)行21 次主流偏轉(zhuǎn)煙流觀測(cè)并對(duì)煙流觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行角度標(biāo)定。圖17 為2、4 號(hào)控制縫控制時(shí)主流偏轉(zhuǎn)角度變化規(guī)律示意圖。

圖17 雙級(jí)下偏煙流測(cè)量角度變化圖Fig.17 Variation diagram of measuring angles of doublestage downward deflection smoke flow

由圖16、17 可知，在單級(jí)控制縫構(gòu)型偏轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上引入第二級(jí)控制縫能夠明顯提高主流偏轉(zhuǎn)角度。隨著第二級(jí)控制縫二次流流量增加，主流偏轉(zhuǎn)角同步增大，總體呈線性趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)Qv1/Qv主=0.021 且Qv3/Qv主=0.021 時(shí)，得到向上最大偏角為12.5°，當(dāng)Qv2/Qv主=0.021 且Qv4/Qv主=0.021 時(shí)，得到向下最大偏角為12.0°。

5 結(jié)論

本文通過(guò)煙流流場(chǎng)顯示實(shí)驗(yàn)，研究了基于雙級(jí)二次流射流的流體式推力矢量噴管對(duì)主流矢量偏轉(zhuǎn)角的提升效果，并在雙級(jí)二次流吹氣的基礎(chǔ)上研究了施加不同的二次流主流體積流量比時(shí)主流的流場(chǎng)特性，得出以下結(jié)論。

1）通過(guò)在單級(jí)控制縫構(gòu)型偏轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上引入第二級(jí)控制縫能夠使主流產(chǎn)生兩次偏轉(zhuǎn)，從而明顯增大主流偏轉(zhuǎn)角度。本文在實(shí)驗(yàn)條件下主流所產(chǎn)生的最大上偏轉(zhuǎn)角為12.5°，最大下偏轉(zhuǎn)角為12.0°。

2）主流矢量偏轉(zhuǎn)角會(huì)受到二次流與主流體積流量比的影響，從整體來(lái)看二次流與主流體積流量比越大主流偏轉(zhuǎn)角度也越大，二者基本呈線性關(guān)系。

根據(jù)上述結(jié)論，對(duì)于流體式矢量噴管，本文在一定程度上證明了雙級(jí)二次流射流構(gòu)型對(duì)傳統(tǒng)的單級(jí)二次流射流構(gòu)型存在明顯的加強(qiáng)作用。在相同條件下，雙級(jí)二次流構(gòu)型可以用更小的二次流流量以逐級(jí)偏轉(zhuǎn)的方式得到更大的主流矢量偏轉(zhuǎn)角度，從而達(dá)到“四兩撥千斤”的效果。

本文主要研究了基于雙級(jí)二次流射流的流體式推力矢量噴管在低速氣流狀態(tài)下對(duì)主流偏轉(zhuǎn)角的加強(qiáng)效果，下一步將在噴管擴(kuò)張段處設(shè)置第三級(jí)控制縫并同時(shí)運(yùn)用吹/吸氣控制手段以進(jìn)一步提升主流矢量偏轉(zhuǎn)角。