非对称超声速喷管内流动分离非定常特性

综合采用流场观测和动态压力测量技术,对非对称超声速喷管分离流状态下喷管内激波结构和壁面动态压力进行了试验测量,通过壁面压力时频特性分析获得非对称喷管内不同流动分离模态的流动非定常特性。结果表明：在喷管落压比(NPR)为1.8～12.7范围内,喷管内流场结构由下偏向上偏转换;上壁面流动分离模态经历了受限激波分离(RSS)、末端振动状态和自由激波分离(FSS);下壁面流动分离模态主要为FSS;流动分离模态为RSS时,Schmucker分离预测标准不再适用。RSS和末端振动状态模态下,尽管分离间歇区壁面动态压力具有相似的低频特征,激波运动呈显著低频特征,但末端振动状态模态下频率值略高,主要是由于流动再附点近喷管唇口,分离剪切层撞击喷管出口位置,剪切层的不稳定性影响了分离激波的振荡特性。     

管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性。采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制。     

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

高速轴流压气机叶尖流动特性试验

为研究压气机转子叶尖流动特性,通过高频动态压力传感器测量其第一级转子壁面静压,录取了多个换算转速下的试验数据,并采用等相位平均方法处理。结果表明:相对换算转速0.6以上槽道激波明显,且随着转速的升高,激波强度增加;叶尖泄漏流动明显,叶片前缘位置最强烈,沿流向逐渐减弱,影响了近1/2弦长、1/3倍叶栅流场;0.7及以上高转速状态下,在叶栅弦长约1/3处,流场的压力突跃脉动峰-峰幅值达到最大,高达15²0 kPa,导致较大的气动激振,叶片需承受较大的周期性气动负荷。     

管内正激波/湍流边界层干扰的数值模拟

本文采用时均Ｎ－Ｓ方程和Ｂａｌｄｗｉｎ／Ｌｏｍａｘ代数湍流模型计算了典型拉伐尔喷管内正激波与湍流边界层干扰流场。计算与实验结果的比较表明，方法可准确地预测激波结构，激波与边界层干扰区流动特征，激波位置、激波前马赫数和壁面压力分布等。     

双模态燃烧室隔离段激波串位置的测量及控制

隔离段是双模态超燃冲压发动机隔离进气道和燃烧室相互干扰、实现亚燃-超燃双模态的重要部件.在发动机实际工作过程中,燃烧室反压引起的进气道不起动在飞行器加速爬升阶段是需要极力避免和预防的.针对双模态超燃冲压发动机整机模型和燃烧室模型进行了数值模拟研究,分析了激波串前沿位置与隔离段压力分布的关系,在此基础上介绍了三种通过隔离段壁面压力实时测量和监控隔离段激波串前沿位置的方法,并完成了验证实验.结果表明,所使用的计算方法有效可行;隔离段壁面压力分布能够很好地反应隔离段的激波串前沿位置,通过监控隔离段壁面压力分布,控制隔离段激波串前沿位置,能够有效避免和预防燃烧室反压过高引起的进气道不起动问题.     

基于0.6 m量级三声速风洞的压敏漆试验技术

基于0.6 m暂冲式三声速风洞，建立了压敏漆测压系统，解决了各分系统的同步控制问题。研究了涂料喷涂影响、图像滤波和系统测量稳定性及精准度等技术细节，并将该系统首次应用于未来大型客机减阻与激波控制的机翼表面压力测量中，获得了基本外形和鼓包外形机翼表面的压力分布、激波位置及形态。检验了设计鼓包在设计状态和稍偏离设计状态下的激波控制效果及其对上翼面压力分布和升力特性的影响。研究结果表明：涂料喷涂质量不佳造成的表面粗糙度和厚度变化会显著影响压力分布，喷涂质量需严格控制。窗口直径8像素迭代3次的高斯滤波对压力波动的平滑效果较好且不会失真。建立的压敏漆系统与压力传感器的压力系数测量均方根偏差在0.022以内，压力均方根偏差小于620 Pa，测量精准度较高。设计鼓包在设计状态及稍偏离设计状态下，均能够有效减弱激波强度，保证机翼升力变化很小，从而提高机翼的升阻比。     

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。     

跨声速和超声速流中激波/边界层干扰数值模拟

对SST湍流模型中的Bradshaw常数a1进行了修正,并对跨声速和超声速流中激波/边界层干扰进行了数值模拟研究,空间离散采用二阶精度差值的低耗散通量分裂格式(LDFSS),时间离散采用对称高斯-赛德尔(SGS)算法。结果表明:在跨声速流动中,计算得到的壁面压力分布、分离区长度和速度剖面都与实验值吻合较好,而且很好地模拟了典型的λ激波结构;在超声速流动中,修正后模型的计算精度较原始模型有了较大改善,计算得到壁面压力分布和分离点的位置都和实验值吻合较好。     

尖前缘平板的高超声速粘性干扰效应引起的压力分布规律研究

采用CFD方法计算了多种来流条件下高超声速平板绕流的粘性干扰现象,计算与实验结果吻合良好。针对理论分析在平板前缘失1效的情况,结合理论分析、CFD结果和试验结果对原有沿流向壁面压力分布关系式进行了修正,使得修正后关系式在整个平板上与相关数据吻合,显著增加了压力分布关系式的应用范围。同时根据CFD计算结果,分析了平板附面层内压力等流动参数的分布规律,发现附面层内法向压力分布存在峰值,壁面压力分布大于来流静压,并给出了峰值压力及其位置的拟合式。     

激波控制矢量喷管流动与工作特性研究

利用数值模拟方法,研究了激波控制矢量喷管的流场结构与工作特性,分析了射流流量、外流马赫数及落压比对喷管流动和性能的影响。结果表明:随着射流流量的增大,射流对主流产生的阻碍作用增大,使得注气缝上游的高压分离区增大,上、下壁面压差增大,矢量角增大;但射流流量过大时,激波会影响下壁面的压力分布,使喷管推力矢量性能降低。外流马赫数增加使喷管出口附近及上壁面注气缝下游壁面的压力降低,因此上、下壁面的压差减小,喷管的推力矢量性能降低。随着落压比的增大,注气缝上游的分离激波位置后移,注气缝下游分离区内的相对压力降低,使上、下壁面的压差减小;另外,喷管工作状态从过膨胀状态向欠膨胀状态转变时,压差产生的推力增大,喷管的推力矢量性能降低。     

气旋现象对气体静压轴承微振动影响的实验

气体静压轴承是气浮系统的重要组成元件，其气膜自激微振动会降低气浮系统的工作精度和刚度特性。为了进一步提高气体静压轴承的工作精度和稳定性,在分析轴承内部气膜波动形成机理的基础上,开展了数值计算及实验研究。不仅验证了气旋分布规律和气旋中心压降的存在可靠性,并且有力证明了气膜支撑区域内沿流动方向存在的分区现象。结合实验进一步分析了影响高压区气旋强度和分布位置的可能因素。结果表明:供气压力、供气孔径和气腔结构都分别对气旋的位置和强度有各自不同的影响规律；而主气旋的核心位置和内外压差造成的压力脉动又会直接决定气体静压轴承微振动的强度和频率特征。      

真实气体效应对升力体舵面局部流动分离的影响

数值模拟分析了高马赫数低雷诺数条件下激波边界层干扰、激波与激波相互作用、流动分离再附等流动现象的特点以及高温真实气体效应的影响。分别采用量热完全气体、平衡气体、化学非平衡气体模型对升力体由于舵面偏转引起的局部流动分离情形进行了数值模拟。研究了飞行高度、壁面温度及来流马赫数对流动分离的影响。计算结果表明:真实气体效应使空气在边界层内发生离解反应,边界层内温度降低,粘性减小,动能损失减小,克服逆压梯度的能力更强,从而使分离区明显减小。分离区的减小改变了分离/再附激波的位置和强度,进而对局部压力及热流分布产生重要影响;随高度增加,平衡气体较完全气体分离区相对减小量增大,平衡气体效应对流动分离/再附现象的影响越大;壁温对分离区影响较大,随壁温升高,分离区增大;随马赫数增大,分离区减小,真实气体和完全气体的差异增大,真实气体效应的影响更加显著。     

轴对称内锥流动中马赫盘的形成与演化

针对轴对称内收缩直锥流场中的马赫反射问题，采用无黏数值模拟结合理论分析，在来流马赫数6及直锥入口半径R恒定的条件下，以模型壁面前缘角度θ_w和壁面长度w/R为几何参数，研究了内锥形激波汇聚增强过程以及马赫盘下游流动对马赫盘位置的影响。结果表明，壁面前缘角度θw通过改变轴对称内锥形入射激波汇聚增强过程中达到von Neumann强度的位置，限定了马赫盘可能存在的位置范围；马赫盘位置还受其下游流动的影响，在不同的θ_w和w/R条件下，马赫盘下游流管内声速喉道的形成机制可以划分为依赖或不依赖壁面尾缘膨胀波两种类型；对于不依赖于壁面尾缘膨胀波的情况，声速喉道形成之前流管内的压力仅与反射激波的波后非均匀压力相匹配，马赫盘的位置不随w/R而变化；对于依赖于壁面尾缘膨胀波的情况，声速喉道形成之前流管还需要匹配壁面尾缘膨胀波引起的压力变化；根据反射激波下游与马赫盘下游流管的压力匹配关系，可以求解马赫盘位置。     

大长径比圆截面隔离段流场的数值研究

对2 Ma均匀来流条件下大长径比L/D=17.5的等直圆截面隔离段内流场进行了数值模拟.研究了在不同背压和不同壁面粗糙度的条件下,隔离段内激波串形态、静压分布、总压恢复.结果表明:激波串位置与背压呈非线性关系,激波串中形成数道“X”形的激波,总压恢复系数随背压增加先减小后增大;壁面粗糙度增加会使激波串前的壁面压力有所增加,使激波串向上游移动,激波串的第一道激波强度增大,之后的激波强度迅速衰减.     

激波诱导轴对称气动矢量喷管壁面静压分布的试验

在落压比3～10,次流相对流量0%～20%的情况下,对扩张段开缝的激波诱导轴对称气动矢量喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验.结果表明:次流的注入形成了周向壁面静压差,使喷管内流场呈现明显的三维流动特征;落压比和次流相对流量对喷管的壁面静压分布有较大的影响,并在一定条件下影响到收敛段的流动;在落压比4,次流相对流量大于15%时,激波有可能会碰到周向距次流注入最远处的壁面,使其气流分离并引起壁面静压的升高.      

气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究

本文采用完全气体模型、振动激发气体模型、平衡气体模型、一温度非平衡气体模型、两温度非平衡气体模型和三温度非平衡气体模型进行了钝体高超声速绕流流场的数值计算。分析了各种气体模型对激波脱体距离、壁面热流、温度分布和密度分布等的影响。结果表明：采用两温度（或三温度）非平衡气体模型计算的激波脱体距离更接近实验情况；采用平衡气体模型计算的壁面热流量高，一温度非平衡气体模型完全非催化的壁面热流最低，而完全气体模型的壁面热流在两者之间。最后给出了各种气体模型的密度等值线比较图。     

考虑进气道喉道非均匀流场影响的隔离段直连试验

为了研究进气道喉道非均匀流场对隔离段流动特性的影响,设计了能模拟隔离段入射激波和非对称附面层的直连试验装置,并进行了马赫数3.0,3.4和3.8的吹风试验,完成了壁面静压、纹影和NPLS测量,获得了有效的试验数据。结果显示,唇口角对隔离段直连台的起动和耐反压能力影响非常大,随着唇口角度的增加,隔离段的极限反压降低,降低幅度达到22%~32%。与均匀来流相比,激波串很难稳在隔离段入口附近,造成激波串极易被推出隔离段。激波串形态受隔离段入射激波和肩部附近附面层状态的影响较大。NPLS测量系统观察到隔离段内部流场精细结构,如下壁面附面层的转捩现象、激波串的马赫盘、分离和滑移线等。     

第Ⅳ类激波-激波干扰非定常性及其敏感因素分析

针对高超声速二元进气道钝化唇缘位置可能出现的第Ⅳ类激波-激波干扰流动中的非定常振荡问题,采用基于有限体积方法结合网格自适应技术的VAS2D程序,数值求解二维可压缩层流Navier-Stokes方程,细致刻画了第Ⅳ类激波-激波干扰非定常流场中的复杂波系结构、壁面压力和热流分布,重点考察了入射激波位置、入射激波强度以及钝头体外形等对第Ⅳ类激波-激波干扰流动特性影响较为敏感的因素及其影响规律。数值模拟结果表明:第Ⅳ类激波-激波干扰流动可能出现非定常振荡,也可能呈现相对稳定的状态,入射激波条件和钝头体外形均可能对第Ⅳ类激波-激波干扰流动非定常性的显现及其振荡特征产生显著影响。采用无量纲的Strouhal数表征流动的非定常性,在文中数值模拟条件下,入射激波强度增大或者钝头体外形变钝,均会使得Strouhal数减小,而壁面热、力载荷有增大的趋势。合理地选择钝头体外形可望减小第Ⅳ类激波-激波干扰出现的比率,有效抑制流动中的非定常振荡现象,降低激波-激波干扰带来的热流和压力脉动峰值。     

过膨胀单边膨胀喷管试验和数值模拟

在低落压比4~10下,对高速二维单边膨胀喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验研究,模拟气体为高压空气;用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息。试验和数值模拟结果表明,处于深度过膨胀状态下的单边膨胀喷管内部出现了自由激波、分离激波、两种激波相交及相互影响、自由激波分离和激波诱导分离等复杂现象;上膨胀面大面积的气流分离而形成的低压区使喷管轴向推力系数Cfa仅为0.78~0.87;此外,推力矢量角pδ为18°~25°,这对飞行器的配平和控制面操作带来一定的困难。