由於噴嘴在整個引擎推進系統中的重要性和敏感性, 如何設計使它具有高性能是一重
要的工作。依照噴嘴的成本、重量、任務及商業等因素, 噴嘴之選用大約可分為下列
二種: 1.固定型噴嘴: 包含圓錐形(Gonical) 及分流形(Separated Flow)噴嘴。2.可
變型噴嘴: 包括斂散, Plug及各種型態的非對稱噴嘴。為著使噴嘴操作在高效率中 ,
由固定型轉變成可變面積型大致已滿足戰機的結構效率和阻力要求。然而隨著武器、
火控系統的精進及具備多重任務戰機的需求, 二維噴嘴已成為近年來工業界發展的焦
點。二維噴嘴除具有傳統式噴嘴的性能外, 兼具推力反向(Thrust Reversing)及推力
轉向 (Thrust Vectoring) 之雙重特性。推力轉向可使戰機垂直起降並提高其旋轉速
率及爬升能力, 而推力反向可提供空中剎車及短場起降的功能, 此能力尤其適用台灣
多山的地型及多雨的氣候, 並且在戰時跑道被破壞時更見功率。因為二維斂散噴嘴構
造簡單, 所需成本比傳統式約減少 30%左右, 且較容易變換噴流方向避免紅外線追綜
進而提高戰機存活率, 因此本文將研究二維推力反向及轉向噴嘴流場之物理現象。對
於新型戰機的研究除了飛機外形及引擎之個別探討外, 推進系統與機體之組合特性將
影響戰機之性能。由於噴嘴－後機身之阻力可建全機阻力之 30%-50%, 其流場現象及
氣動力研究在現在及未來高性能戰機之設計上扮演重要角色。為求解此問題, 許多的
實驗已經完成, 然而因為實驗所需費用昂貴、費時且近年來計算流體力學與計算機的
迅速發展, 使得利用數值方法來模擬後機身之流場成為一有力且可行之研究方向。除
了二維噴嘴內流場之研究外, 本文將利用有限元素法探討軸對稱噴嘴－後機身外流場
及氣動力係數。
以往雖然對於整個噴嘴性能已經有很多的實驗資料, 但噴嘴內游場之資料卻是不多。
想要發展出好的設計觀念則需要對於噴嘴內流場之噴嘴現象, 具有相當的認識: 因此
Putnam和Strong也利用Langley 16-Foot 穿音速風洞量測推力反向噴嘴流場之靜壓。
由實驗之結果得之當壓力比 (Nozzle Pressure Ratio)小於 3.0則出現相當傾斜的音
速線和明顯的分離流。由於近年來計算流體技術的發展, 數值分析與模擬已經成為設
計工作中不可缺乏的利器 Imlay,Kao,McMaster and MacCormack利用隱式數值法 (M-
acCormack,Steger and Warming Implicit Scheme) 求解流體在二維推力反向噴嘴中
的速度及壓力分佈情形, 並與實驗數據比較, 而有相當好的結果。胡建磊利用隱式 T
VD法, 改變噴嘴的幾何形狀參數, 以尋求較佳的形狀設計。
綜合本文之結果, 可以歸納以下幾點結論
(1) 利用網格重建之技巧, 本文成功地應用到噴嘴與後機身之物理流場區域。配合此
格點產生程式, Taylor-Ga-Ierking 顯示／隱式有限元素法, 是被用來模擬軸對稱噴
嘴－後機身之噴流與外流場及二維噴嘴內流場。
(2) 為穩定數值計算, 二階及四階消散項之加入是必需的, 本文引用 Peraire等[16]
公式及擴散Jameson 和Marri-plis[17]至有限元素法。經由計算結果 Jameson之消散
項處理有較佳收斂性及可靠性。
(3) 軸對稱噴嘴－後機身流場, 紊流模式及格點建立是計算解是否正確主要因素。在
本文中僅取簡單紊流模式且僅應用至邊界層, 故計算結果仍與實驗值有些差異, 因此
考慮適合的模式是一重要之研究方向。
(4) 二維推力反向噴嘴內流場中, 尖銳轉角附近格點必需適當慎之分佈, 否則數值解
會震盪, 經由可調網格建立可減少此現象及改良數值結果。
(5) 在尖銳轉角處有過度擴張現象, 在反向歧管的導流板及中心線與導塊之間有迴流
區產生, 此處會造成極大之能量損失。
(6) 在二維推力轉向噴內流場中, 除了傾斜板間之性質變化較大且不對稱外, 其餘區
域具有對稱性質。