超声速进气道压力估算方法及验证

进气道载荷的预示和限制是超声速飞行器设计中的关键问题。以典型颌下进气超声速飞行器为研究对象,对其进气道流场进行数值仿真,研究不同马赫数、攻角、侧滑角及余气系数条件下的进气道压力特性;针 对进气道压力工程估算及设计需求,使用无量纲和解耦的方法,对进气道压力经验公式进行拟合;反算飞行试 验中的进气道压力,并与测量结果进行对比。结果表明:进气道压力随马赫数增大而增大,随余气系数增大而 减小;正常工作包线内,较小的攻角、侧滑角对进气道压力影响不明显;进气道压力经验公式计算值与飞行试验 测量值符合较好,具有较高的精度。     

涡扇发动机超声速进气道实时数学模型

利用流场计算结果建立了反映飞行马赫数、攻角、斜板角度和风扇进口静压影响的超声速进气道多维实时数学模型。综合该进气道模型、某型涡扇发动机实时数学模型和实时喷管模型，建立了实时的推进系统数学模型。利用此模型研究了飞行马赫数、攻角、斜板角度和出口反压对涡扇发动机工作参数的影响。结果表明，该模型准确度高，实时性好，可完成推进系统的动静态过程仿真计算；并可用于进气道与发动机的匹配以及超声速进气道控制研究。     

超声速进气道进发匹配安装性能快速计算方法

为了研究超声速进气道与发动机的匹配特性,改善推进系统的安装性能,结合准一维进气道流场计算方法和基于部件法的发动机总体性能仿真模型,发展了一种考虑进发匹配的超声速进气系统安装性能快速计算方法。该方法能够计算不同飞行条件和不同进气道工况下,超声速进气系统的性能和安装阻力。利用文献中的数据对本文的模型进行了校核,并以两斜一正外压式进气道为例,研究了亚声速飞行时的附加阻力和进气道的调节方法。与文献中数据对比表明,进气道总压恢复和流量系数误差小于1.4%,发动机安装推力计算结果误差小于9%。超声速进气道在亚声速巡航状态下由于发动机节流带来较大的附加阻力,而进气道调节可降低高马赫数下的溢流阻力并增加进气道的稳定裕度。     

一种宽马赫数变几何超声速进气道气动性能研究

为了改善二元宽马赫数超声速进气道非设计点下的气动性能,设计了一种来流马赫数为2.0~4.5的变几何超声速进气道,对其气动性能开展了数值仿真研究,得出了性能较优的变几何方案,并与相应的定几何进气道进行了对比.研究结果表明:采用变几何方法可提高进气道在转级点的气动性能;随着来流马赫数的增大而增加进气道的楔角及内收缩比,可降低进气道的喉道马赫数;采用该变几何方法可有效提高进气 道宽工作范围的气动性能,在某些状态下流量系数和总压恢复系数比定几何进气道分别高出19.4%和55.8%.      

高超二元曲面压缩进气道前缘激波特性分析

不同的二元进气道前缘激波压缩方式直接影响进气道性能参数,尤其是流量系数。详细分析研究了两种类型的高超二元曲面压缩进气道前缘激波随攻角和来流马赫数变化的特性。计算结果显示,对于初始楔加等熵压缩的二元曲面进气道,在给定的初始楔角下,随着进气道攻角的增大前缘激波与压缩面之间的夹角先减小后增大,随着来流马赫数的增大,前缘激波与压缩面之间的夹角减小;而对于等压力梯度分布控制的弯曲激波压缩二元曲面进气道,随着进气道攻角或来流马赫数的增加,前缘激波与压缩面间的夹角都增大。通过理论和计算分析表明,是斜激波与马赫波不同的相交模式造成了两种曲面压缩进气道的前缘激波随进气道攻角和来流马赫数变化的特性不同。      

定几何二元倒置“X”型混压式超声速进气道数值仿真与实验验证

针对一种定几何二元倒置"X"型混压式超声速进气道开展了数值仿真研究, 结果表明:随着来流马赫数的增加, 进气道总压恢复系数下降, 而流量系数却先上升, 在设计点达到最大值后下降.当攻角变化时, 小攻角α<6°时迎背风两侧进气道总压恢复系数虽有下降但变化幅度不大, 对于流量系数, 在小攻角α<6°下背风侧进气道高于迎风侧进气道, 但两侧总的流量随攻角变化不大;在大攻角状态下(α=6°～9°), 背风侧进气道总压恢复系数和流量系数均下降剧烈, 而迎风侧进气道总压恢复系数虽然下降但流量系数却有上升.同时, 与实验结果对比表明, 两者规律趋势一致.      

二元混压超声速进气道三维流动数值分析

按照MacCormack时间分裂方法，应用NND格式、对流迎风矢通量分裂（AUSM）技术和Baldwin-Lomax混合长度代数湍流模型，对贴体坐标下三维雷诺平均N－S方程进行有限差分离散。数值计算了均匀来流和非均匀来流条件下二元混压超声速进气道三维湍流流动态，分析了该进气道主要性能参数随出口反压、来流马赫数、导弹工作高度及飞行攻角的变化特性，为深入研究进气道性能提供了一定辅助手段。     

超声速铲形进气道数值计算及试验研究

为了研究超声速铲形进气道的气动特性,针对固定几何超声速铲形进气道,利用数值仿真计算及风洞试验,获得了来流马赫数Ma∞=2.5,3.0,3.5,4.0,攻角α=-6°,-3°,0°,3°,6°,8°以及侧滑角β=3°,6°的临界性能。研究结果表明该超声速进气道具有良好的攻角特性,随着攻角的增加,总压恢复系数和流量系数增加;6°侧滑角以内进气道总压恢复系数和流量系数变化量很小。该进气道与飞行器前体一体化设计,能够很好地适应大空域、宽马赫数范围工作需求。     

二元高超声速进气道内部阻力特性分析与研究

以二元高超声速进气道为研究对象,以数值模拟为手段,详细分析了该进气道内壁面上的压差阻力、摩擦阻力、总阻力随飞行马赫数的变化。接着用流线跟踪得到该二元高超声速进气道的分流面,研究了作用在该分流面上的附加阻力随飞行马赫数的变化。为了更准确地评价该进气道的阻力特性,采用了进气道的推力效率和推阻比两个概念,并且探讨了它们随飞行马赫数的变化。最后,分析讨论了作用在该进气道捕获流管上的实际总阻力随飞行马赫数的变化。     

二元超声速进气道流管压缩量特性与应用初步研究

为研究流管压缩程度与超声速进气道临界总压恢复系数的规律,以双楔外压式进气道为例,对不同来流马赫数、多种方案进行实例研究。研究马赫数范围为2.0至4.0,各种压缩方案涉及宽泛的总转折角范围和多种楔角组合方式。研究结果表明,就通常设计中常用的压缩方案范围而言,临界总压恢复系数与流管收缩比呈明显的正相关变化规律,并在一定的范围内两者呈近似线性关系,基于流管收缩比可实现对临界总压恢复系数大小的近似判断。      

超声速串列静叶设计

高压比单级风扇静叶进口全超声,气流转折角大于50°,常规单排静叶难以达到这样高的负荷水平,采用串列静叶结构是一种有效的技术手段。针对进口超声的基元叶型,采用灵活控制中线形状的基元叶型设计方法,优化叶型前缘激波结构,降低激波、附面层干扰引起的损失。在级环境下,对分别采用新方法和定制叶型方法设计的串列静叶进行详细的性能对比,三维数值模拟结果显示:应用新方法设计的高负荷串列静叶,可降低激波损失,优化叶排通道内的激波结构,有效控制尾迹分离,改善叶片排间的流动匹配,提高串列风扇性能。     

尖拱弹身横向喷流数值模拟

本文通过数值求解层流Navier—Stakes方程来模拟超声速流场中横向超声速喷流的干扰流场，采用分块对接网格和“O”型网格技术，精确模拟喷口截面形状并生成高质量的贴体计算网格，对尖拱弹身的横向超声速喷流的干扰流场进行了数值模拟，研究了喷口附近的流场结构、涡系结构、波系结构及流动分离等流场特性，得到喷流流场的干扰效应，计算结果与实验值吻合较好。     

Integrated supersonic wind tunnel nozzle

In supersonic wind tunnels, the airflow at the exit of a convergent-divergent nozzle is affected by the connection between the nozzle and test section, because the connection is a source of disturbance for supersonic flow and the source of disturbance generated by this disturbance propagates downstream. In order to avoid the disturbance, the test can only be carried out in the rhombus area. However, for the supersonic nozzle, the rhombus region is small, limiting the size and attitude angle of the test model. An integrated supersonic nozzle is a nozzle and a test section as a whole, which is designed to weaken or eliminate the disturbance. The inviscid contour of the supersonic nozzle is based on the method of characteristics. A new curve is formed by the smooth connection between the inviscid contour and test section, and the boundary layer is corrected for the overall curve. Integrated supersonic nozzles with Mach number 1.5 and 2 are designed, which are based on this method. The flow field is validated by numerical and experimental results. The results of the study highlight the importance of the connection about the nozzle outlet and test section. They clearly show that the wave system does not exist at the exit of the supersonic nozzle, and the flow field is uniform throughout the test section.     

超声速开式空腔流动的数值模拟

研究了不同长深比、不同雷诺数条件下,超声速开式空腔流动特性的变化。算法采用空间上5阶的WENO格式,时间上具有TVD性质的3阶Runge-Kutta方法,湍流模型选用B－L模型。数值模拟获得了不同的时刻的注场图像,压力波、涡以及空腔结构之间的相互耦合作用,使得空腔内存在典型的周期性压力脉动,但不同长深比空腔的流动性存在较大差别。     

煤油超声速燃烧的数值分析

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态超声速燃烧室内的超声速喷雾燃烧进行了数值模拟。采用离散液滴模型、概率密度函数紊流扩散燃烧模型和紊流k ω模型计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0 551时的情况。数值结果得到的壁面静压分布与实验数据基本一致;计算所得到的总压损失系数是0 696,非常接近实验测量值0 707,但计算得到的燃烧室燃烧效率远比实验值高。     

超声速翼型气动优化设计

首先分析了几何外形和相对厚度对超声速翼型气动特性的影响。基于遗传算法(GA)和气动力快速工程算法,对于相对厚度为3.5%的多边形翼型进行优化设计,多边形翼型的优化外形趋于四边形,最大厚度点后移到翼型弦线的60%左右,随着迎角或者马赫数增大下翼面会变薄,上翼面变厚,最大厚度点相应稍有后移。对于相对厚度为4%的双圆弧翼型,采用两步优化设计方法,第1步优化结合基于B样条的类别形状函数变换(CST)参数化方法与小波分解方法,实现几何外形的局部控制与光顺处理,并且采用本征正交分解(POD)代理模型降低优化过程中流场计算的工作量;第2步优化采用基于Navier-Stokes方程的最速下降法(SDA),修正第1步优化中代理模型和小波光顺引入的误差;优化设计得到的翼型近似为四边形,其相对厚度最大点后移到翼型弦线的60%~65%处,升阻比可以提高7%。     

超临界煤油超声速燃烧特性实验

针对各种温度、压力下，马赫数2．5流场中超临界煤油的超声速燃烧性能进行了实验研究。研制并测试了一个新型二级煤油加热系统，该系统能够把0．8kg的煤油在5．5MPa压力下加热至至950K而不产生严重的结碳。超声速燃烧试验表明，在相同的来流和燃料当量比条件下，超临界煤油的燃烧效率比室温煤油提高10％～15％，与氢气泡雾化的燃烧效率相当。     

超声速风扇叶型设计研究

为了设计低流动损失超声风扇叶型,研制出基于数值最优化超声叶型设计软件.以叶型主要几何参数为叶型设计参数,针对轴向进气第一级风扇转子采用给定轮缘功、损失最小为目标函数.设计的优化叶型后面大部分呈平直因此气流转角小、减速增压完全通过激波实现.沿弦向叶片厚度逐渐增加使叶栅通道呈收缩,总体上使流过叶栅超声气流得到减速增压.优化叶型所构成叶栅流场具有多道激波、流动损失低.设计结果表明设计方法的可行性,并可为超声风扇叶型设计提供新思路.      

超声速气流与反向射流的混合

在不同的反向射流喷射角度条件下,对反向射流混合加热方案的混合效果进行了实验研究。采用空气和氢气燃烧混合物作为超声速载气流,常温下的空气作为反向射流。将混合前后流场的温度分布作为衡量载气流与反向射流混合效果的标志。实验结果表明:混合均匀度随混合距离的增加而提高;反向射流的喷射角度在40°角附近时混合均匀度最佳;增大反向射流初始压力可有效提高反向射流与载气流的流量比,从而提高混合效率。     

超声速尾迹-剪切流的混合增强

超声速条件下燃料和空气之间的高效混合是超然冲压发动机技术上的主要挑战。基于大涡模拟和流动稳定性分析,针对超声速尾迹-剪切流动开展了混合增强方法研究。尾迹的存在改变了混合层流动的速度剖面,对流动稳定性产生了重要影响,使混合层由三维最不稳定变为二维最不稳定,最不稳定扰动波频率和增长率增大。基于流动稳定性结果引入扰动的混合增强方式依然有效,根据稳定性结果设计了波纹隔板。数值结果表明：二维波纹壁引入的扰动未能增长,不具备混合强化效果,而三维波纹壁引入的扰动能够快速增长,具有混合强化效果,且波纹壁参数越接近最不稳定扰动波参数,混合强化效果越明显。