高超冲压发动机是冲压发动机的一种，是指进入发动机燃烧室的速度为超声速，且燃料在超声速特征下燃烧。它是一种新型的，以高温冲压技术为核心的发动机技术，各国在此领域都在研究，其中俄罗斯和美国走在前列，已经有初步成型的产品问世。冲压发动机主要由燃烧室、进气道、尾喷管组成。其工作原理为发动机的迎面来流（空气流）首先进入进气道，进气道将来流的部分速度能转变为压力能，完成压缩过程。滞止到一定速度的气流进入燃烧室，与喷入的燃料迅速混合，在等压条件下进行燃烧。燃烧后的高压、高温燃气，经收敛-扩张喷管加速后喷出，产生推力。冲压发动机一般应用于飞行马赫数高于6的飞行器，如高超声速巡航导弹，高超声速飞机和空天飞机。
        为准确控制流入发动机的气流速度与压力，并调节进入燃烧室的燃料的流量，使其准确的按照需要分配释放热量，因此设计的大流量燃油流量调节阀，在冲压发动机中起着关键的作用。
        基于拉瓦尔管形高温阀口设计是指将拉瓦尔管特性用于阀口设计中，从而达到准确控制流经阀口气体的目的。此阀的设计方案如下：
        （1）阀芯采用锥阀，为利用拉瓦尔管特性，气体从锥阀底部进入，沿锥阀尖部流出，此控制方法目的是在阀口处形成拉瓦尔管状结构，控制气体流量。
        （2）阀芯采用液动，由驱动活塞提供动力，可以实现响应速度快的目的。
        1 结构及工作原理
        主阀结构的简单示意图可如图1所示：

图1 高温流量调节阀的结构图

        阀芯采用锥阀形式，由驱动活塞推动锥形阀芯控制阀口开度，在回路中，燃料流体经最左端的阀口进入主阀，由锥形阀芯控制流量大小。阀芯的开度由电液伺服阀驱动的驱动活塞来控制。
        其工作原理如图2所示。

图2 流量调节阀工作原理图

        原理图中：主阀8、电液伺服阀5、活塞缸11都固定在固定板1上。电液伺服阀与活塞缸通过阀块3进行管路连接，活塞杆2与主阀阀芯采用法兰连接，同时活塞缸要与主阀固定在一起。
        电液伺服阀控制驱动活塞杆左右移动，从而控制主阀阀芯位移大小，调节燃料通过主阀阀口的流量。阀口的设计借鉴拉瓦尔管的特性及形状考虑，这样可以满足阀口出口处气流超声速的要求，也实现了不同压差下气体流速保持不变的目的，改善了高温阀的特性。
        2 拉瓦尔管状阀口数学模型及设计
        拉瓦尔管结构如图3所示。

图3 拉瓦尔管结构及速度云图

        拉瓦尔喷管是一个先收缩后扩张的管道。它的主要特性是，在管道出口得到指定马赫数的超声速气流。在相同面积比的情况下，进口总压与出口反压比值不同时，管内气体呈现不同的流动状态。拉瓦尔喷管的正常工作条件是：管道前后压力比大于临界值；出口截面积与最小截面积的比值与指定的超声速气流马赫数相适应。
        拉瓦尔喷管的流动特性是：同样温度，进口压力条件下，通过喷管的气体流量即只与喉部面积与出口面积比有关。这种流动特性利于高温下对于气体流量的控制，因为一定范围内不受前后压差变化的影响，易于实现流量稳定。拉瓦尔管正常工作时，最小截面处气流马赫数为1的临界状态，气流参数是临界参数，运算起来比较简便。因此，一般都用计算流过最小截面的气体流量的方法来确定拉瓦尔管的气体流量。据此，拉瓦尔管的气体流量公式可写为：
        （1）
        Km——热流系数
        P0*——进口气体总压（Pa）
        T0*——进口气体总温（K）
        At——喉部面积（m2）
        从式中可以看出，在最小截面处的气流马赫数为1的临界状态下，拉瓦尔管的气体流量只只取决于管道进口气体的总压和总温以及最小横截面积。
        其中P0*为进口总压，为10MPa。按进口压力P0*=10MPa，出口压力Pe=1MPa进行初步设计。
        （2）
        （3）
        λ——气体速度系数
        进一步查表确定λ=1.75，q（λ）=0.4961
        （4）
        q（λ）——气体相对密流
        根据喉部面积比，及加工工艺综合考虑，确定如图4所示阀口结构。

图4 阀口设计简图

        3 基于FLUENT的阀口流场仿真
        运用FUENT软件进行阀口处的流场进行仿真，分析阀口流量特性及压力和速度分布。
        具体仿真步骤如下：
        1）利用CAMBIT建立计算域和指定边界条件类型；
        由于阀口形状为完全对称，故在仿真过程中为简化计算可利用二维图形代替三维仿真，网格划分如图5所示。

图5 阀口分析网络

        2）利用FLUENT求解器求解。
        在计算过程中对流体及边界条件做如下：
        1、流体为完全气态，可压缩气体，实验时可采用氮气模拟，故仿真可用理想气体近似。
        2、采用spalart一Anmaras湍流模型，此模型方便易收敛。
        3、仿真时阀入口温度采用实验条件下的600℃，出口为500℃。
        4、入口和出口分别采用压力入口和压力出口边界条件，其余为壁面接触。分别改变入口压力和出口压力，作出仿真结果。
        4 流场仿真结果
        根据拉瓦尔管建模思想，采用FLUENT软件，对设计主阀阀口处进行仿真。入口为10MPa，出口为SMpa，阀口位移为8.Omm时的仿真结果如图6、图7、图8、图9所示。

图6 速度场分布特性（阀芯位移x=8.0mm）

图7 压力分布特性（阀芯位移x=8.0mm）

图8 阀入口流量（阀芯位移x=8.0mm）

图9 阀出口流量（阀芯位移x=8.0mm）

        图6、图7仿真结果表明，燃料气体在阀口最小截面处达到声速，之后气体继续加速变为超声速。图9、图10可以看出，达到稳定时，气体在阀入口与阀出口处流量持平。这符合拉瓦尔管特性流量调节机制。
        阀口入口压力不变时（10MPa），通过改变阀口出口压力，作出多组仿真结果，得到不同出口压力下的气体通过阀口的流量如图10所示。同理当阀口出口压力保持不变（1MPa）时，改变不同的入口压力值，得到流量结果如图11所示。

图10 阀口流量与出口压力关系（10MPa）

图11 阀口流量与入口压力关系（1MPa）

        仿真结果表时：阀口形状固定后，出口压力小于一定值（7MPa）时，流入流出阀口的气体流量与出口压力无关，只取决于入口压力（10MPa）。即时，流量只与入口总压（10MPa）有关，且近似为线性关系。
        改变阀芯位移x或者改变阀芯形状，可以得到相似的仿真结果，以此不再论述。
        5 结论
        对比仿真结果与数学模型可以得出以下结论：
        1）高温阀的阀口采用拉瓦尔管形状设计方案后，当阀口开度不变时，前后压强在一定的比值范围内，流经阀口前后的气体流速基本保持不变，与理论分析的结果相吻合。
        2）气体在阀口喉部流速达到声速，进入阀口后进一步加速到超声速，仿真结果与拉瓦尔管的数学特性相适应。