高超冲压发动机是一种冲压发动机，是指进入发动机燃烧室的速度为超声速，燃料在超声速特性下燃烧。它是一种以高温冲压技术为核心的新型发动机技术。各国都在研究这一领域，其中俄罗斯和美国处于领先地位，并推出了初步形成的产品。冲压发动机主要由燃烧室、进气道和尾喷管组成。其工作原理是发动机首先进入进气道，进气道的部分速度可以转化为压力能，完成压缩过程。停止一定速度的气流进入燃烧室，与喷射的燃料快速混合，在等压条件下燃烧。燃烧后的高压、高温气体在收敛扩张喷嘴加速后喷射，产生推力。冲压发动机一般用于飞行马赫数超过6的飞机，如高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空间飞机。
为了准确控制流入发动机的气流速度和压力，调整进入燃烧室的燃料流量，根据需要准确分配和释放热量，设计的大流量燃料流量调节阀在冲压发动机中起着关键作用。
基于拉瓦尔管形高温阀设计是指在阀设计中使用拉瓦尔管的特性，以实现准确控制流经阀气体的目的。该阀的设计方案如下：
(1)阀芯采用锥阀。为了利用拉瓦尔管的特性，气体从锥阀底部进入，沿锥阀尖流出。该控制方法旨在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，驱动活塞提供动力，响应速度快。
1 结构及工作原理
主阀结构的简单示意图如图1所示：
图1 高温流量调节阀结构图
阀芯采用锥形阀的形式，驱动活塞驱动锥形阀芯控制阀开度。在回路中，燃料流体通过最左端的阀进入主阀，流量由锥形阀芯控制。阀芯的开度由电液伺服阀驱动的驱动活塞控制。
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：主阀8。电液伺服阀5。活塞缸11固定在固定板1上。电液伺服阀通过阀块3与活塞缸连接，活塞杆2与主阀芯采用法兰连接，活塞缸与主阀固定。
电液伺服阀控制驱动活塞杆左右移动，控制主阀芯的位移，通过主阀阀口调节燃料流量。阀口的设计借鉴了拉瓦尔管的特点和形状，可以满足阀口出口气流超声速的要求，实现不同压差下气体流量不变的目的，提高了高温阀的特性。
2 拉瓦尔管状阀数学模型及设计
拉瓦尔管结构如图3所示。
图3 拉瓦尔管结构及速度云图
拉瓦尔喷嘴是一种先收缩后扩张的管道。其主要特点是在管道出口获得指定马赫数的超声波气流。在相同面积比下，当进口总压力与出口反压比不同时，管道中的气体呈现不同的流动状态。拉瓦尔喷嘴的正常工作条件是：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与指定的超声波气流马赫数相适应。
拉瓦尔喷嘴的流动特性是：在相同的温度和进口压力下，通过喷嘴的气体流量仅与喉部面积和出口面积的比率有关。这种流动特性有利于高温下控制气体流量，因为在一定范围内不受前后压差变化的影响，容易实现流量稳定。当拉瓦尔管正常工作时，最小截面的气流为1，气流参数为临界参数，操作相对简单。因此，拉瓦尔管的气体流量通常通过计算最小截面的气体流量来确定。因此，拉瓦尔管的气体流量公式可以写为：
（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）
从公式可以看出，在最小截面气流马赫数为1的临界状态下，拉瓦尔管的气流仅取决于管道进口气体的总压、总温和最小截面积。
其中P0*进口总压为10MPa。按进口压力P0*=10MPa，出口压力Pe=1MPa初步设计。
（2）
（3）
λ——气速系数
进一步确定查表λ=1.75，q（λ）=0.4961
（4）
q（λ）——气体相对密流
根据喉部面积比和加工工艺，确定如图4所示的阀口结构。
图4 阀口设计简图
3 基于FLUENT阀口流场模拟
运用FUENT该软件模拟的流场，分析阀口的流量特性、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的类型；
由于阀口形状完全对称，网格划分如图5所示，用二维图形代替三维模拟进行简化计算。
图5 阀口分析网络
2）利用FLUENT求解器求解。
流体和边界条件在计算过程中如下：
1.流体为完全气态，可压缩气体。氮气模拟可用于实验，因此理想气体可用于模拟。
2、采用spalart一Anmaras湍流模型，方便易收敛。
3.模拟时阀门入口温度为600℃，出口为500℃。
4.入口和出口分别采用压力入口和压力出口的边界条件，其余为壁接触。分别改变入口压力和出口压力，并进行模拟。
4 流场模拟结果
根据拉瓦尔管建模思想，采用FLUENT模拟设计主阀阀口的软件。入口为10MPa，出口为SMpa，阀口位移为8.Omm模拟结果如图6、图7、图8、图9所示。
图6 速度场分布特征(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和图7的模拟结果表明，燃料气体在阀口最小部分达到声速，然后气体继续加速到超声速度。图9和图10显示，当气体稳定时，阀门入口与阀门出口的流量相等。这符合拉瓦尔管特性的流量调节机制。
阀口入口压力不变(10MPa），通过改变阀口出口压力，进行多组模拟结果，得到不同出口压力下的气体通过阀口流量如图10所示。同样，当阀口出口压力保持不变（1MPa）如图11所示，改变不同得到流量结果如图11所示。
图10 阀口流量与出口压力的关系MPa）
图11 阀口流量与入口压力的关系MPa）
模拟结果表：阀口形状固定后，出口压力小于一定值（7MPa）流入流出阀的气体流量与出口压力无关，仅取决于入口压力(10MPa）。即时流量仅与入口总压(10MPa）线性关系是相关的近似的。
改变阀芯位移x或者改变阀芯的形状，可以得到类似的模拟结果，以免讨论。
5 结论
对比模拟结果和数学模型可得出以下结论：
1）高温阀阀口采用拉瓦尔管形状设计方案后，当阀口开度不变时，前后压力在一定比值范围内，流经阀前后气体流量基本保持不变，符合理论分析结果。
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，模拟结果适合拉瓦尔管的数学特性。
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