高超沖壓發(fā)動機(jī)是一種沖壓發(fā)動機(jī)，是指進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室的速度為超聲速，燃料在超聲速特性下燃燒。它是一種以高溫沖壓技術(shù)為核心的新型發(fā)動機(jī)技術(shù)。各國都在研究這一領(lǐng)域，其中俄羅斯和美國處于領(lǐng)先地位，并推出了初步形成的產(chǎn)品。沖壓發(fā)動機(jī)主要由燃燒室、進(jìn)氣道和尾噴管組成。其工作原理是發(fā)動機(jī)首先進(jìn)入進(jìn)氣道，進(jìn)氣道的部分速度可以轉(zhuǎn)化為壓力能，完成壓縮過程。停止一定速度的氣流進(jìn)入燃燒室，與噴射的燃料快速混合，在等壓條件下燃燒。燃燒后的高壓、高溫氣體在收斂擴(kuò)張噴嘴加速后噴射，產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動機(jī)一般用于飛行馬赫數(shù)超過6的飛機(jī)，如高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)和空間飛機(jī)。
   為了準(zhǔn)確控制流入發(fā)動機(jī)的氣流速度和壓力，調(diào)整進(jìn)入燃燒室的燃料流量，根據(jù)需要準(zhǔn)確分配和釋放熱量，設(shè)計的大流量燃料流量調(diào)節(jié)閥在沖壓發(fā)動機(jī)中起著關(guān)鍵作用。
   基于拉瓦爾管形高溫閥設(shè)計是指在閥設(shè)計中使用拉瓦爾管的特性，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制流經(jīng)閥氣體的目的。該閥的設(shè)計方案如下：
   (1)閥芯采用錐閥。為了利用拉瓦爾管的特性，氣體從錐閥底部進(jìn)入，沿錐閥尖流出。該控制方法旨在在閥口處形成拉瓦爾管狀結(jié)構(gòu)，控制氣體流量。
   (2)閥芯采用液動，驅(qū)動活塞提供動力，響應(yīng)速度快。
   1 結(jié)構(gòu)及工作原理
   主閥結(jié)構(gòu)的簡單示意圖如圖1所示：

圖1 高溫流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

   閥芯采用錐形閥的形式，驅(qū)動活塞驅(qū)動錐形閥芯控制閥開度。在回路中，燃料流體通過最左端的閥進(jìn)入主閥，流量由錐形閥芯控制。閥芯的開度由電液伺服閥驅(qū)動的驅(qū)動活塞控制。
   其工作原理如圖2所示。

圖2 流量調(diào)節(jié)閥工作原理圖

   原理圖：主閥8。電液伺服閥5?；钊?1固定在固定板1上。電液伺服閥通過閥塊3與活塞缸連接，活塞桿2與主閥芯采用法蘭連接，活塞缸與主閥固定。
   電液伺服閥控制驅(qū)動活塞桿左右移動，控制主閥芯的位移，通過主閥閥口調(diào)節(jié)燃料流量。閥口的設(shè)計借鑒了拉瓦爾管的特點(diǎn)和形狀，可以滿足閥口出口氣流超聲速的要求，實(shí)現(xiàn)不同壓差下氣體流量不變的目的，提高了高溫閥的特性。
   2 拉瓦爾管狀閥數(shù)學(xué)模型及設(shè)計
   拉瓦爾管結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 拉瓦爾管結(jié)構(gòu)及速度云圖

   拉瓦爾噴嘴是一種先收縮后擴(kuò)張的管道。其主要特點(diǎn)是在管道出口獲得指定馬赫數(shù)的超聲波氣流。在相同面積比下，當(dāng)進(jìn)口總壓力與出口反壓比不同時，管道中的氣體呈現(xiàn)不同的流動狀態(tài)。拉瓦爾噴嘴的正常工作條件是：管道前后壓力比大于臨界值；出口截面積與最小截面積的比與指定的超聲波氣流馬赫數(shù)相適應(yīng)。
   拉瓦爾噴嘴的流動特性是：在相同的溫度和進(jìn)口壓力下，通過噴嘴的氣體流量僅與喉部面積和出口面積的比率有關(guān)。這種流動特性有利于高溫下控制氣體流量，因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)不受前后壓差變化的影響，容易實(shí)現(xiàn)流量穩(wěn)定。當(dāng)拉瓦爾管正常工作時，最小截面的氣流為1，氣流參數(shù)為臨界參數(shù)，操作相對簡單。因此，拉瓦爾管的氣體流量通常通過計算最小截面的氣體流量來確定。因此，拉瓦爾管的氣體流量公式可以寫為：
   （1）
   Km——熱流系數(shù)
   P0*——進(jìn)口氣體總壓（Pa）
   T0*——進(jìn)口氣體總溫（K）
   At——喉部面積（m2）
   從公式可以看出，在最小截面氣流馬赫數(shù)為1的臨界狀態(tài)下，拉瓦爾管的氣流僅取決于管道進(jìn)口氣體的總壓、總溫和最小截面積。
   其中P0*進(jìn)口總壓為10MPa。按進(jìn)口壓力P0*=10MPa，出口壓力Pe=1MPa初步設(shè)計。
   （2）
   （3）
   λ——?dú)馑傧禂?shù)
   進(jìn)一步確定查表λ=1.75，q（λ）=0.4961
   （4）
   q（λ）——?dú)怏w相對密流
   根據(jù)喉部面積比和加工工藝，確定如圖4所示的閥口結(jié)構(gòu)。

圖4 閥口設(shè)計簡圖

   3 基于FLUENT閥口流場模擬
   運(yùn)用FUENT該軟件模擬的流場，分析閥口的流量特性、壓力和速度分布。
   具體仿真步驟如下：
   1）利用CAMBIT建立計算域和指定邊界條件的類型；
   由于閥口形狀完全對稱，網(wǎng)格劃分如圖5所示，用二維圖形代替三維模擬進(jìn)行簡化計算。

圖5 閥口分析網(wǎng)絡(luò)

   2）利用FLUENT求解器求解。
   流體和邊界條件在計算過程中如下：
   1.流體為完全氣態(tài)，可壓縮氣體。氮?dú)饽M可用于實(shí)驗(yàn)，因此理想氣體可用于模擬。
   2、采用spalart一Anmaras湍流模型，方便易收斂。
   3.模擬時閥門入口溫度為600℃，出口為500℃。
   4.入口和出口分別采用壓力入口和壓力出口的邊界條件，其余為壁接觸。分別改變?nèi)肟趬毫统隹趬毫Γ⑦M(jìn)行模擬。
   4 流場模擬結(jié)果
   根據(jù)拉瓦爾管建模思想，采用FLUENT模擬設(shè)計主閥閥口的軟件。入口為10MPa，出口為SMpa，閥口位移為8.Omm模擬結(jié)果如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 速度場分布特征(閥芯位移)x=8.0mm）

圖7 壓力分布特性(閥芯位移)x=8.0mm）

圖8 閥入口流量(閥芯位移)x=8.0mm）

圖9 閥出口流量(閥芯位移)x=8.0mm）

   圖6和圖7的模擬結(jié)果表明，燃料氣體在閥口最小部分達(dá)到聲速，然后氣體繼續(xù)加速到超聲速度。圖9和圖10顯示，當(dāng)氣體穩(wěn)定時，閥門入口與閥門出口的流量相等。這符合拉瓦爾管特性的流量調(diào)節(jié)機(jī)制。
   閥口入口壓力不變(10MPa），通過改變閥口出口壓力，進(jìn)行多組模擬結(jié)果，得到不同出口壓力下的氣體通過閥口流量如圖10所示。同樣，當(dāng)閥口出口壓力保持不變（1MPa）如圖11所示，改變不同得到流量結(jié)果如圖11所示。

圖10 閥口流量與出口壓力的關(guān)系MPa）

圖11 閥口流量與入口壓力的關(guān)系MPa）

   模擬結(jié)果表：閥口形狀固定后，出口壓力小于一定值（7MPa）流入流出閥的氣體流量與出口壓力無關(guān)，僅取決于入口壓力(10MPa）。即時流量僅與入口總壓(10MPa）線性關(guān)系是相關(guān)的近似的。
   改變閥芯位移x或者改變閥芯的形狀，可以得到類似的模擬結(jié)果，以免討論。
   5 結(jié)論
   對比模擬結(jié)果和數(shù)學(xué)模型可得出以下結(jié)論：
   1）高溫閥閥口采用拉瓦爾管形狀設(shè)計方案后，當(dāng)閥口開度不變時，前后壓力在一定比值范圍內(nèi)，流經(jīng)閥前后氣體流量基本保持不變，符合理論分析結(jié)果。
   2)氣體在閥口喉部流速達(dá)到聲速，進(jìn)入閥口后進(jìn)一步加速到超聲速，模擬結(jié)果適合拉瓦爾管的數(shù)學(xué)特性。