两相流喷管扩散段型面优化计算

本文论述了用两相喷管流动计算程序按直接优化法寻找两相流喷管最佳扩散段型面的方法,着重讨论了两相超音速流场计算中的网格结点、颗粒阻力系数和传热系数。算例中给出了抛物线、圆弧线和三次曲线喷管的计算结果。算例指出;喷管扩散段采用不同的曲线族,其最佳型面的初始膨胀角是不同的。      

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。      

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。     

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。     

环喉型圆锥塞式喷管的水下流动分离特性

将塞式喷管概念扩展到水下固体火箭发动机应用领域,为了研究高背压环境下塞式喷管的水下流动分离特性,建立水下塞式喷管流动分析模型,并采用流体体积法(VOF)两相流模型对设计马赫数2.0的环喉型圆锥塞式喷管水下工作时的过膨胀流场进行了气/水耦合数值模拟,计算考虑了气体的压缩性和粘性。计算结果显示:圆锥塞式喷管在水下的过膨胀流动也存在间歇性的颈缩、胀鼓以及回击等不稳定现象;与空气环境下的工作条件不同,气/水界面表现出类似于壁面的约束作用,塞锥外流场形成的波系结构由塞锥壁面和内喷管出口下游气/水界面共同决定;水下超声速气体射流的不稳定振荡引起喷管出口背压和气/水界面的脉动,塞锥表面的分离流场随射流的振荡而变化,根据流场激波结构以及塞锥表面分离特征的不同,可以区分为5种不同的分离流动形态;塞式喷管在水下和空气环境下的分离流动振荡的驱动机理不同,水下分离流场的振荡主要受气/液两相相互作用诱导的射流振荡过程的影响,分离流场附近壁面压强振荡频率覆盖0~1000Hz范围内的较宽频带,且没有显著的特征频率。     

基于响应面法的火箭发动机喷管型面优化设计

针对已知某型火箭发动机的燃气参数,对比了维托辛斯基、双三次、五次曲线及基于维托辛斯基的移轴法设计的收缩段型面喷管性能,其中移轴法得到喷管性能较优;采用单一变量法计算分析了喷管型面参数(初始扩张段圆弧半径、扩张段出口半角、扩张段长径比、扩张段扩张角以及收缩段长径比)对喷管性能影响规律,喷管出口推力随着初始扩张段圆弧半径以...     

膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法

为了提高流线追踪喷管设计方法的灵活性，从推力和力矩两方面考虑，引入特殊中心体，探索了壁面膨胀规律可控的轴对称基准流场设计方法.设计过程中利用特征线理论（MOC）实现了由膨胀规律求解气动壁面的反设计.针对基准流场的主要设计参数，包括膨胀规律、中心体及斜倾角等进行了参数化研究，得到了设计参数对基准流场结构及性能的影响规律.利用该基准流场，设计了矩形截面的流线追踪喷管(导出喷管)，并进行了分析.结果表明:利用特征线理论可以实现膨胀规律到壁面的反设计；在进口参数和落压比一定的条件下，存在一定的膨胀规律使得基准流场的内推力最大；流场的中心体尺度和长度比对推力影响很小，可作为调整导出喷管力矩的设计参数；出口斜倾角增大会导致基准流场的长度减小，同时推力下降明显，设计时应综合考虑.      

超声速喷管中激波分离诱发流场对称破缺的机理及其控制

为减缓或消除侧向力,开展了流动分离诱导流场对称破缺的机理研究。采用有限体积二阶迎风插值格式及k -ε湍流模型,数值模拟了某型超声速喷管的地面试车过程。详细分析了喷管内部的流场结构,着重讨论了喷管壁面附近出现的激波分离模式由自由激波分离到受限激波分离的转换过程。为了降低低空高背压条件下过膨胀喷管的侧向力,着重研究了喷管不同长径比、扩张比条件下的流场特性和流动分离模式。结果表明:在激波模式转换过程中能够诱发出极大的侧向力,改变喷管构型可以改善流场结构。适当缩短长径比和扩张比可以有效降低侧向力。长径比为105时将产生4 000 N以上的侧向力,而当长径比为095和115时,侧向力不超过20 N;当扩张比为539时,侧向力峰值达到4 000 N以上,而缩小扩张比到45时,侧向力明显下降。     

尾部二次喷流抑制喷管分离流动的数值研究

以某液体火箭喷管缩比模型为研究对象,分析了相应的流场形态和二次流喷嘴喷射角度、面积比及其工质总温等参数对喷管分离流动抑制效果的影响.结果表明:当采用二次流喷嘴时,喷管达到满流所需的入口总压下降了37.8%,随着喷嘴喷射角度由0°增至25°,喷管流动分离点位置向喉部推进约0.01m,抑制效果明显变差,而随着喷嘴工质总温由300K升至1500K,喷管流动分离点位置向出口推进约0.005m,抑制效果略有增强,喷嘴面积比在保证其不出现分离流动时对抑制效果没有影响,否则会使抑制效果变差.      

喷管分离流动与侧向载荷定常数值模拟

利用商业CFD软件,进行了三维、有粘、定常计算,模拟了某液体火箭大面积比喷管地面条件下的分离流动.计算了多个不同入口总压下的工况.其结果预示了该喷管的分离流动在不同入口总压下的激波模态变化,并获得了非对称分离及其造成的侧向载荷的分布情况.计算为进一步相关研究打下了基础.      

超燃冲压发动机尾喷管性能对型面参数的回归研究

为了研究型面参数对基于三次曲线构型的超燃冲压发动机尾喷管性能的影响规律,采用均匀设计和回归分析的方法开展了型面参数化研究,得到了尾喷管性能参数与构型参数间的回归模型.研究表明下壁面高度对尾喷管的升力性能影响不显著,其余型面参数对尾喷管性能有影响且为交互作用.同时,上下壁面出口高度增加能提高尾喷管推力性能,上壁面长度增加对升力性能有益,而上壁面出口高度和角度的增加则反之;上壁面出口高度对俯仰力矩性能的影响与升力性能类似,但俯仰力矩性能与上壁面入口角度呈正相关,而出口角度在大部分情况下对俯仰力矩性能呈负相关;下壁面在一定范围内截短对上壁面压强分布影响不显著.      

低速来流大攻角侧滑角状态下尖脊进气道气动特性试验研究

在低速来流状态下试验研究了大攻角(α=0°～45°)和侧滑角(β=-15°～15°)对Caret进气道气动性能的影响。给出了在各攻角下进气道性能参数随侧滑角变化的特点及典型状态下进气道出口总压恢复系数分布图谱,分析了出口总压分布图谱与进气口流动之间的关系。试验表明:在低速来流状态(Ma≈0.1)下,随着攻角的增加(α从0°增加到45°),进气道总压恢复系数下降较小,总压畸变指数几乎不变,这有利于飞机的大攻角机动飞行。      

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。     

四种风洞收缩段流场特性对比

基于西北工业大学高亚声速平面叶栅风洞,测量了维氏收缩段的出口流场,发现其方向场品质较差,相比速度场和总压场,核心区沿周向减小了15%。对四种收缩段进行数值模拟后,对比了收缩段的出口核心区、均匀性及分离特性,发现维氏曲线在前部收缩,进口收缩过急引起旋涡,但出口稳流段较长,因此出口均匀性更好。双三次曲线在后部收缩,主流区顺压梯度更大,因此附面层更薄,气流偏角更小,分离特性更好,但出口过冲更大。现有维氏收缩段的三维结构在拓宽核心区同时对气流扰动较大,恶化速度场与方向场,气流偏角增加最大达43%。进口管径对双三次收缩段的流场特性影响不大。     

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.     

The Full Flowpath Analysis of a Hypersonic Vehicle

对一种类X43-A吸气式高超飞行器全流道开展了M7一级的三维数值仿真研究,深入探索了进气道处于起动状态和不起动状态时全流道的冷流流场结构和和气动力特性,且部分结果与实验数据进行了对比。研究结果表明:(1)前体横截面上存在显著的展向压强梯度,使得经过预压缩的气流偏离了进气道进口,但同时也减少了进入内通道的边界层气流,提高了进口流场的品质;(2)后体喷流股的膨胀过程受到了周围外流的显著干扰,因而沿流动方向其截面形状不断发生变化,如在喷口附近为近似矩形,而在后体末端附近则演化为近似三角形;(3)当进气道处于不起动状态时,其全流道流动结构发生了显著变化,进气道的外部压缩波系往复振荡,尾喷管出口的喷流股也在不停的膨胀和收缩,具有极强的非定常特征;(4)当进气道处于不起动状态时,全机的气动力特性呈周期性变化,升阻比的变化幅度较大,在最大、最小值分别可达起动状态的2倍和1/4倍。另外,升力、阻力系数的变化曲线之间存在一定的相位差;(5)与实验结果的对照表明,所采用的数值仿真方法具有较高的精度。     

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。