基于实验设计超紧凑进气道被动流动控制优化设计

采用实验设计方法对影响超紧凑进气道流动控制效果的五个因素进行数值优化设计。采用数值涡流发生器代替真实物理叶片进行流场求解，分析了27个影响因素组合应用于进气道流动控制的效果，从中找出各影响因素变量对进气道总压恢复、流场畸变不同影响，应用响应曲面法给出最佳影响因素组合，为超紧凑进气道被动流动控制设计提供技术参考。     

一种紧凑无人机进气道设计和流动控制研究

在满足对发动机风扇全遮挡的前提下,提出一种双"S"弯紧凑进气道的设计方案,通过CFD计算和风洞试验验证,进气道出口流场基本满足发动机要求。另外,对采用涡流发生器方法控制流动分离的备选方案进行了试验研究,证实该方法能够降低发动机进口流场的稳态周向畸变。     

基于出口导流控制的超声速进气道性能研究

针对进气道内型面存在较大弯段而导致的流动分离问题,提出了一种对进气道出口弯段进行导流控制的概念,设计了3种不同的导流格栅方案,采用数值仿真方法对不同导流格栅方案的超声速进气道流动进行了对比分析,获得了不同导流格栅对进气道流场结构和工作性能的影响特性.结果表明:利用格栅对进气道进行导流控制,可以改善进气道出口弯段的流场结构和压力分布,避免进气道出口发生流动分离.通过对格栅型面进行优化可以显著改善进气道的工作性能,采用类翼型导流格栅的进气道性能改善幅度最大,马赫数为3.5条件下,其稳定工作裕度和出口总压恢复系数分别提高10.3%和9.8%,冷流内阻降低5.3%.      

某 Bump 进气道流动控制计算研究

以某 Bump(凸包)进气道为研究对象,采用 CFD 数值模拟技术对其内、外流场进行计算,重点研究超声速来流马赫数 M∞=1.60下进气道气动、流场特性;根据进气道内、外流场特点,分别设计机身棱线涡扰流片、进气道抽吸及射流流动控制装置,目的在于提高飞机 M∞=1.60来流、进/发匹配点条件下进气道总压恢复、降低出口流场畸变;采用 CFD 技术对各流动控制装置效能进行计算,基于计算结果,对各流动控制装置效能及典型装置流动控制机理进行了分析。研究表明,M∞=1.60来流、负迎角下,扰流片作用不明显;采用进气道抽吸或射流控制措施,对提高进气道总压恢复有效。研究结果可为类似 F-35那样的隐身战机 Bump 进气道流动控制或工程发展提供一定的技术参考。     

微秒脉冲等离子体激励控制侧风条件下短舱流动分离实验研究

典型短舱进气道在侧风飞行条件下会发生流动分离,产生进气畸变,严重影响发动机性能。将等离子体流动控制技术用于短舱进气道侧风畸变控制,改善进气流场品质。采用纹影系统研究微秒脉冲介质阻挡放电(μs-DBD)等离子体激励器的激励特性,结果表明,任一脉冲周期的开始时刻激励流场产生半圆形冲击波,微秒脉冲通过对流场进行快速加热,能够产生冲击扰动效应,促进流动掺混。随后,采用总压探针对短舱进气道气动交界面处的总压损失情况进行测量,探究μs-DBD抑制侧风条件下短舱流动分离的规律。结果表明:μs-DBD激励能有效降低侧风条件下进气道分离流场的出口截面总压损失系数,缩小侧风分离区;流动控制效果随激励频率的增大而增强,当激励频率达到一定阈值后,流动分离得到完全控制;保持短舱进气道轴向与来流之间的夹角不变,在相同激励频率下,来流速度增大,流场分离程度减小,流动分离控制效果增强,分离流场得到完全控制所需的激励频率降低;探究不同激励器布局的控制效果,在相同来流参数和激励器参数下,展向布局激励效果优于流向布局激励。为进一步模拟真实发动机的影响,在短舱后部进行抽吸,短舱流通能力得到提升,流动分离减弱,但μs-DBD激励仍能对侧风流动分离进行有效控制,流动控制效果随激励频率的变化规律与无抽吸情况下相同。     

S弯进气道流动控制装置多参数多目标优化设计

在S弯进气道设计点,针对前机身/进气道一体化模型,采用CFD数值模拟技术开展内外流计算,分析管道内流场特性从而为流动控制装置设计提供参考依据。采用微质量射流流动控制装置对进气道内流进行流动控制,射流装置可变参数包括射流装置安装站位、入射流向角度、侧向角度及射流孔间距。基于DOE方法设计控制效能计算样本,开展流动控制效能计算分析,得到总压恢复系数σ及流场畸变指标DC60的响应面函数,采用多目标优化技术,得到使得总压恢复比较高、流场畸变比较小的控制装置参数Pareto最优解。     

全流面乘波前体进气道设计方法

基于流线追踪的飞行器乘波前体设计和发动机进气道设计已有大量的研究工作，但是高超声速飞行器前体与超燃冲压发动机进气道的一体化设计一直是个难点。为了提高前体进气道整体的总压恢复和流量捕获性能，在前期飞行器乘波前体设计和进气道压缩面流线追踪设计方法的基础上，将整个基准流场分为激波压缩流场和等熵压缩流场，顺序组合，从前体激波、外压缩面到进气道内压缩面、反射激波直到喉道进行无缝连续地流线追踪，实现了全流面乘波前体进气道设计。横向三维曲面生成采用类似密切方法进行控制以实现全流面设计；纵向基准流场的构建由交叉推进特征线方法生成的激波压缩流场和反向Prandtl-Meyer流动生成的等熵压缩流场组合而成，只需输入前缘激波形状与进气道喉道出口约束；所有的控制曲线采用一种四次样条曲线进行描述。这是一种统一的基于内、外锥基准流场的前体进气道设计方法，其主要优点是具有较高的流量系数和总压恢复系数，可广泛用于高超声速飞行器前体进气道内外流一体化设计。     

基于数值涡流发生器双S型进气道被动流动控制装置参数优化

采用数值涡流发生器代替真实涡流发生器叶片进行双S型进气道流动控制数值模拟,结合实验设计理论分析了27组涡流发生器应用于进气道流动控制计算结果,从中找出控制装置参数变化对进气道总压恢复、流场畸变的不同影响,应用响应面法给出最佳参数组合,为双S型进气道被动流动控制装置参数优化提供技术参考.     

高超声速进气道自起动过程中流动非定常特性

采用非定常数值仿真方法研究了进气道自起动过程中流动的非定常特性,分析了内压段构型对非定常流动特性的影响。研究结果表明:进气道自起动过程中流动特性受内压段构型与来流条件影响。内压段压缩面肩部曲率半径越大,内压段面积收缩越缓,越易出现流场振荡现象,流场振荡越剧烈;型面设计参数β≤33°,能够避免流场振荡现象出现。合理设计进气道内压段型面能够控制自起动过程中流动的非定常特性。自起动过程中,流场出现振荡时随着来流马赫数增大流动依次经历不振荡状态→振荡状态→不振荡状态→起动状态,且流场振荡频率逐渐下降;对于未发生流场振荡的进气道,随着来流马赫数增大进气道依次经历硬不起动状态→软不起动状态→起动状态。     

涡流发生器对Bump进气道性能影响数值研究

以一种Bump进气道为研究对象,通过在S弯扩压段入口处布置涡流发生器来控制流动分离,减小出口总压畸变。采用CFD数值计算软件对Bump进气道在设计点(Ma=2.0)与非设计点(Ma=1.8,0.8)工况下内、外流场进行计算,分析不同涡流发生器方案的效果。计算结果表明:在设计点工况下,安装涡流发生器能够抑制流动分离,改善进气道流场品质,减小出口总压畸变;在一些非设计点工况下会增大Bump进气道出口总压畸变;Bump进气道总压损失有所增大,不同叶片间距的涡流发生器对总压损失的影响相当。      

射流旋涡发生器控制大折转角扩压叶栅二次流

将射流旋涡发生器引入到某折转角为60°的扩压叶栅端壁二次流控制中,研究了射流方向和射流总压对扩压叶栅气动性能及栅内流动的影响.结果表明:当射流旋涡发生器侧向倾角为0°时,仅采用不足扩压叶栅进口流量0.5%的射流流量,即可显著减少栅内损失.射流旋涡有效阻碍和推迟了通道涡发展,在下洗侧将主流流体卷入端壁附面层内,而在上洗侧将低能流体带入主流中,从而减少了角区低能流体聚积,减弱了吸力面的分离流动.当射流进口总压采用与扩压叶栅进口相同的总压时,总压损失减小21.5%,且射流进口总压越大,其控制效果越明显.      

瞬时畸变极值预测的随机涡方法

对于湍流型进气畸变压力场,文献[1]提出了一种随机涡模拟方法。将非定常N-S方程与统计学理论相结合,将随机涡尺寸与畸变指数峰值相关联。对此,作者在文献[2]中作了详细的推导、分析和预测,发现在原模型的应用中,存在着两个明显困难:合理确定瞬时畸变分布;迅速和准确确定涡核半径a。实验和模拟结果表明畸变分布介于正态分布与Weibull分布之间变化。      

高超声速进气道边界层强制转捩试验

在FL-31高超声速风洞分别开展了进气道的自然转捩和强制转捩风洞试验,试验Ma数为5、6和7,迎角为1°。通过红外热图得到了壁面的热流分布,从中得到了转捩区域。强制转捩装置为钻石型涡流发生器。随着涡流发生器高度的增加,强制转捩区域逐渐前移,得到了涡流发生器的有效高度,实现了强制转捩的目的。     

考虑滑流影响的埋入式进气道气动特性分析与流动控制研究

研究滑流对埋入式进气道性能的影响机理对于发动机的稳定性具有重要意义。针对某型涡桨发动机 滑油散热器进排气道系统,基于 CFD技术建立系统的螺旋桨滑流与滑油散热器内流一体化数值模拟方法,进 行考虑滑流影响的滑油散热系统埋入式进气道气动设计仿真分析;针对埋入式进气道由于吸入边界层低能气 流导致通过散热器流量低的问题,设计4组涡流发生器进行主动流动控制。结果表明:滑流使得进气道中的气 流偏离,难以形成稳定漩涡,容易发生流动分离;而合理设计的涡流发生器可以有效改善埋入式进气道内流场 特性,并使通过散热器的流量提高12%。     

利用边条涡抑制Y形进气道流场畸变

已用于飞机外流流场控制的边条涡技术被首次引入内流场的控制,抑制进气道出口流场畸变,改善进发匹配。针对某型飞机的 Y形进气道,有 3对边条涡片被加装在进气道内,与通常的涡流发生器不同的是,这些涡片被设计来控制整个进气道流场而不是仅仅改善局部的附面层。大量的实验结果证实,这种流场控制措施的改善效果显著,某型飞机的 Y形进气道在亚、跨和超声速等各种飞行速度,及不同攻角、侧滑角和开关放气门等飞行条件下,其出口流场畸变均减小,尤其是原流场畸变较大的情况下改善更加明显。     

侧风条件下短舱进气道地面涡数值模拟

为了研究起飞状态下进气道地面涡的形成与发展规律,针对缩比的短舱进气道模型进行了3维数值仿真,分析了来流速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的特点以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:侧风来流速度越低,越容易形成地面涡,随着侧风来流速度的增高,地面涡会消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,地面涡的环量越大;地面涡的形成会增大进气道出口截面的流场畸变程度,短舱进气道距地面高度对畸变的影响很小,畸变主要受侧风来流速度的影响。最后给出了侧风条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

侧风条件下进气道流场及地面吸入涡特征研究

采用数值模拟与试验方法对大涵道比发动机进气道缩比模型在地面侧风工况下的流场特性进行了研究分析，同时考虑了侧风与地面吸入涡对进气道流场的影响，以及侧风对吸入涡强度的影响，在此基础上解释并分析了侧风对进气道流场的双重影响作用。研究结果发现:根据吸入涡在侧风影响下的生成特性，以及吸入涡和侧风因素对进气道流场作用程度的不同，吸入涡从稳定状态到被侧风吹除的过程中存在三个阶段，吹除起始阶段、迅速吹除阶段和吹除完成阶段，并且发动机进气道吸入速度越大，对应这一过程的起始吹除速度和完全吹除速度越大，但相应的速度比基本不变；在吸入涡被完全吹除之前，侧风通过对吸入涡强度的影响对进气道流场产生双重作用，在吹除起始阶段和吹除完成阶段，侧风的影响对进气道流场起主导作用，与无地面工况类似，进气畸变随着侧风速度的增大而增大，在迅速吹除阶段，吸入涡的影响对进气道流场起主导作用，进气畸变随着侧风速度的增大而减小。      

旋涡发生器对叶片根部马蹄涡的影响

针对简化了的叶片-平板结构,在叶片上游平板上的某位置布置旋涡发生器影响马蹄涡.数值模拟了不同高度旋涡发生器作用下的角区湍流流动.结果表明:任何一种旋涡发生器都能不同程度地削弱马蹄涡系,高度为2mm的旋涡发生器能使这种削弱作用达到最大;另外,随着高度的增加,叶片两侧的涡腿有向叶片聚拢的趋势.提出的方法无需额外消耗能量,为一种被动的控制手段,有很大的实际应用前景.布置旋涡发生器的控制方法简单实用,工程中采用该法是不错的一种选择.      

涡轮导向器几何与气动参数对通道涡影响的实验与数值研究

通过风洞实验和数值计算,对某型涡扇发动机原型和改型涡轮低压导向器进行了详细的流场测量与数值模拟,以考察在具有大扩张角前置机匣的涡轮导向器流道中,多种几何与气动参数变化对通道涡形成和发展的影响,特别是叶片弯曲对通道涡位置及强度的影响。结果表明:由于导向器进口前的机匣段上端壁子午扩张引起流动分离,并在叶栅进口形成远大于普通叶栅实验的大厚度进口边界层,弯叶片对通道涡位置的影响与其它进口条件下的实验结果有所不同,表现为叶片正弯引起上通道涡核心位置上移,进口分离、大厚度进口边界层以及叶片正弯引起的叶片表面静压变化是造成这一现象的根本原因。