二维超声速进气道扩张段性能计算

研究了一种二维超声速进气道扩张段型面的中心线变化规律、扩张比及中心线偏距对设计状态下进气道的气动性能及流场的影响。结果表明:采用前缓后急中心线变化规律的进气道出口总压恢复系数最高,而采用前急后缓中心线变化规律的进气道总压恢复系数最低;随着扩张比从1.40增大到1.80,进气道总压恢复系数和抗反压能力均下降,出口马赫数上升,扩张比与长度对进气道出口参数的影响存在较强的耦合关系;随着偏距比的增加,进气道总压恢复系数起初有一定的升高,但偏距比增大到0.80之后,总压恢复系数降低,出口马赫数增大,总体上偏距比变化对进气道抗反压能力影响不大。     

火箭引射模态下主火箭总压与RBCC发动机的匹配性

基于传统的"等压面假设"理论,建立了RBCC发动机主火箭的引射性能分析模型,研究了主火箭总压与RBCC发动机的匹配性。研究结果表明,若隔离段通道面积比小于0.65,在主火箭总压较低条件下,隔离段内二次流容易达到壅塞,无法进一步提高空气流量;在地面静止状态下,随主火箭总压增加,空气流量逐步增大,等压面上形成Fabri壅塞后,进一步增加主火箭总压,反而会降低空气流量;在火箭引射模态下,RBCC发动机的工作状态可细分为引射作用占主导地位的进气道亚临界状态和临界状态、冲压作用占主导地位的进气道超临界状态,其分界马赫数分别约为0.7和1.5。     

一种RBCC二元进气道变几何方案研究

对工作于引射和亚燃模态的RBCC发动机进气道来说,宽马赫数工作的要求显得尤为突出,使得二元进气道应采用变几何结构。针对内压段收缩比对二元混压式进气道性能的影响,文中开展了理论分析和数值模拟研究,并由此提出了一种将内收缩比调节和边界层流动控制相结合的变几何二元进气道方案。研究发现,该方案以低马赫数小范围内较少的流量损失为代价,实现了进气道起动马赫数、阻力的降低和出口总压的增加,改善了进气道的综合性能。     

中心线偏置对隔离段性能的影响研究

在隔离段入口马赫数2.0条件下对二维中心线偏置隔离段流场进行了数值计算,并与直隔离段结果进行对比,分析了两种偏置方式对隔离段流场结构及性能特征的影响,重点研究了隔离段的总压恢复性能和抗反压性能,并考察了管道扩张角对结果的影响.结果表明,出口反压较低时,直隔离段总压恢复性能优于折线隔离段;反压较高时,两者总压恢复性能大致相当.S弯隔离段总压恢复性能介于两者之间.对相同扩张比隔离段而言,直隔离段抗反压性能最强,折线隔离段次之,S弯隔离段最差.扩张隔离段的抗反压性能增强,但在同-反压条件下的总压恢复性能下降.     

超燃冲压发动机S弯隔离段激波串数值研究

S弯隔离段可以解决进气道出口和燃烧室入口处在不同水平高度的飞行器在结构设计上的困难.为考察来流马赫数为2.0时S弯构型对隔离段流场结构和性能参数的影响,在不同边界条件下对3种不同转弯方式的S弯隔离段和等直隔离段进行数值模拟.结果表明,在流场结构方面,S弯隔离段入口拐角处出现斜激波/膨胀波的相交与反射,上、下壁面分离区交替扩大、缩小.在抗反压性能方面,中心对称型和后部转弯较急型隔离段性能稍逊于等直隔离段,前部转弯较急型隔离段性能与等直隔离段相当.在总压恢复性能方面,高反压时前部转弯较急型隔离段性能最好,但在低反压时流场存在剧烈振荡,总压恢复性能最差.因此工作在高反压条件下的隔离段推荐采用前部转弯较急型,而低反压条件下则采用另外两种比较合适.入口边界层厚度对S弯隔离段流场结构和性能的影响有限.     

高超声速飞行器二元进气道试验和计算

设计了一种吸气式面对称高超声速飞行器,针对进气道性能,分别在两座风洞开展通流试验研究。针对第1次风洞试验大攻角状态(α=8°)测量值偏离线性的问题,辅助采用数值模拟手段分析原因,并对试验方案进行改进设计,解决了首次试验出现的问题。结果显示,在典型状态(Ma=5~6)下,进气道起动正常,性能良好,具有一定的抗侧滑能力;随来流马赫数增加,进气道流量系数增大,总压恢复系数减小,计算结果和试验结果一致;试验结果和数值计算的差异主要表现为基本测压方案α>4°后,流量系数和总压恢复系数出现严重的非线性。数值模拟结果表明,主要原因为模型支撑方式及测压方式所引起的偏差,通过改进试验方案,解决了大攻角状态下测量值偏离正常趋势的问题。     

非对称来流下带后掠斜楔的短隔离段实验研究

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短其长度,在前期后掠斜楔数值研究基础上,设计了一种带后掠斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口的下壁面上,距隔离段进口长度约15%处,在非对称的隔离段进口来流速度为1.98马赫数的条件下完成吹风实验.实验结果表明,隔离段添加后掠斜楔后的最大承受反压从来流静压的3.55倍上升到3.90倍,提高了9.89%.相同反压下,带后掠斜楔的短隔离段长度缩短了15%.相同长度的带后掠斜楔的隔离段出口平均总压恢复系数由基准隔离段的0.694上升到0.710,提高了2.3%.     

冲压发动机加速阶段进气道内动态特性

对整体式火箭冲压发动机助推加速段进气道内的动态特性进行了数值模拟和风洞试验研究.结果表明,助推加速段进气道通道内压强振荡接近于一种整体模式的不稳定振荡;其振荡频率随马赫数增大略有升高,相对振荡幅度随马赫数增大而下降;在所研究范围内,进气道通道内的最高压强有可能超过来流总压.     

不同攻角下高超声速二元进气道性能研究

针对高超声速二维混压进气道,以最大总压恢复系数为目标,基于多楔面内收缩段设计原理,利用多楔角方法设计内收缩段长度和出口高度等。通过比较不同攻角下二元进气道总压恢复系数、流场及启动情况等多方面特性,验证了改变攻角对进气道启动特性改善的效果。     

影响高超声速进气道起动能力的因素分析

对一系列不同收缩比、不同波系配置的内压缩通道二维流场进行了数值模拟。研究了面积收缩比、飞行高度和来流攻角对高超声速进气道起动性能的影响，提出了进口起动马赫数和来流起动马赫数的概念。研究表明，当进气道收缩比增大时，进气道的进口起动马赫数增大；来流起动马赫数由外压波系强度和进口起动马赫数决定，所以来流攻角变化改变外压波系强度，从而改变来流起动马赫数；随着飞行高度的增加，来流起动马赫数和进口起动马赫数增大，造成这一变化的原因是飞行高度不同，来流雷诺数不同，造成收缩段进口截面附面层厚度不同。     

Numerical investigation on the shock wave transition in a three-dimensional scramjet isolator

The scramjet isolator, which is used to prevent the hypersonic inlet from disturbances that arise from the pressure rise in the scramjet combustor due to the intense turbulent combustion, is one of the most critical components in hypersonic airbreathing propulsion systems. Any engineering error that is possible in the design and manufacturing procedure of the experimental model, and the intense heat release in the scramjet combustor, may cause the performance of the isolator to decrease, leading to its lack of capability in supporting the back pressure. The coupled implicit Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and the two-equation standard k?ε turbulent model have been employed to numerically simulate the flow fields in a three-dimensional scramjet isolator. The effects of the divergent angle and the back pressure on the shock wave transition and the location of the leading edge of the shock wave train have been estimated and discussed. The obtained results show that the present numerical results are in very good agreement with the available experimental shadow-pictures, and the numerical method is more suitable for capturing the shock wave train and predicting the location of the leading edge of the shock wave train in the scramjet isolator than the present two-dimensional numerical methods. This is due to the small width-to-height ratio of the isolator and the intense three-dimensional flow structures. On increasing the divergent angle of the scramjet isolator, the static pressure along the central symmetrical line of the isolator decreases sharply. This is due to the strong expansion wave generated at the entrance of the isolator, and when the divergent angle of the isolator is sufficiently large, namely 1.5°, a zone of negative pressure is formed just ahead of the leading edge of the shock wave train. At the same time, the shock wave train varies from being oblique to being normal, and then back to oblique. With an increase in the prescribed back pressure at the exit of the scramjet isolator, the leading edge of the shock wave train moves forward towards the entrance of the isolator, and when the back pressure is sufficiently large, unstart conditions in the hypersonic inlet can take place if the shock train reaches the inlet.     

流体式高超声速可调进气道流动机理及工作特性分析

针对基于二次流控制的定几何高超声速可调进气道设计概念,给出了其具体的流道实现方案,而后通过全流道仿真分析,检验了该可调进气道在马赫数4~6范围内的可实现性,获得了其工作特性,并对弯曲激波后的总压损失特性、二次流的能量获取及消耗机制等流动机理进行了专门分析。结果表明：该流体式可调进气道能够依靠自身高压驱动二次流来实现对口部波系的调节,使进气道在低马赫数下的流量系数相对于常规定几何高超声速进气道提高24%以上,总压恢复提高7%左右,且最大二次流消耗量只占了进气道捕获流量的1.6%左右。另外,虽然弯曲激波的波后总压和马赫数分布表现出了一定的不均匀性,但是其平均总压恢复系数与相同倾角平面激波相比下降不大。二次流循环流动所消耗的机械能由外部外流剪切力做功补充,而二次流注入会使当地边界层的速度型变得瘦弱,形状因子增大。     

金属/水反应冲压发动机进水管路的工作特性

基于水与金属燃料反应的水冲压发动机是一种新型的水下动力装置。进水管路是金属/水反应冲压发动机的一个重要部件。为了研究进水管路的工作特性,在理论分析和一维设计的基础上,设计出某一工作状态下的进水管路结构参数,并进行了数值模拟。结果表明,管路中出现汽蚀现象;随着出口压强的增大,总压损失减小,流量系数减小;随着来流速度的增大,总压损失增大,流量系数先增大后减小;随着工作深度的增加,总压损失增大,流量系数增大。     

反折式二元超声速进气道研究

X-51A采用带两级压缩楔面的反折式进气道设计方案,这是一体化权衡设计的结果,要求进气道设计综合各方面因素进行多目标优化。从发动机设计角度出发对类似于X-51A的反折式二元进气道进行了研究,合理选择了进气道的设计变量并运用多目标粒子群优化算法（MOPSO）对带两级压缩楔面的反折式二元进气道按总压恢复系数、流量系数及出口马赫数三个目标函数进行了多目标优化设计,计算中性能指标参数评估基于Euler方程求解得到。通过优化计算得到了带两级压缩楔面的反折式进气道相关性能指标参数最优变化关系及结构方案,可为后续进气道与飞行器一体化权衡提供设计参考。     

进气道堵盖打开过程数值模拟

为获得整体式固冲发动机转级过程中进气道堵盖(包括入口堵盖与出口堵盖)打开过程的流动形态,建立了进气道二维模型,利用Fluent动网格技术和UDF方法,开展了进气道堵盖打开过程非稳态流场研究。结果表明,在入口堵盖打开前,进气道前端形成强烈的弓形激波;在入口打开、出口未开的过程中,沿进气道轴向各监测点压强呈现周期性变化,振荡频率为100 Hz左右,出口堵盖位置压强振荡幅值为0.53 MPa;在出口打开后,补燃室残余热量形成的压强峰导致进气道在短时间内无法起动,随着背压降低至小于进气道再起动反压,进气道完全起动。     

进气道整流罩保形减阻设计研究

提出了一种尾喷管与进气道整流罩保形设计方案,既保持导弹外形特征不变,又与尾喷管内型面实现一体化保形设计。采用CFD方法对尾喷管及整流罩底部内外流场进行了一体化数值模拟,分析了保形设计对进气道整流罩底阻的影响。结果表明,导弹高速飞行时,采用保形设计能减小进气道整流罩的底阻;补燃室压强越高,进气道整流罩底阻越小,从而验证了该设计方案的可行性。     

基于遗传算法和空间推进方法的高超声速进气道优化设计研究

将遗传算法（单目标遗传算法GA和多目标遗传算法NSGA-Ⅱ、NCGA）与高效、高精度的卒间推进方法——SSPNS（Single-sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）流场计算方法相结合，对二维高超声速进气道进行了气动优化设计研究。在单目标优化设计中以巡航点（Ma=7．0）的总压恢复最大为设计目标，多目标设计中则在巡航点分别考察了总压恢复最大-压升最大两目标模型、总压恢复最大-压升最大-阻力系数最小三目标模型。优化设计结果表明，单目标设计使得总压恢复有明显提高；多目标优化设计所得的Pareto最优前沿为设计者提供了可靠的设计依据。为了兼顾巡航点和加速爬升段的综合忭能，采用多目标优化方法对进气道进行了多点优化设计，并开展了基于等动压弹道的设计点选择问题初步研究。计算结果表明，若将设计点选在Ma=6．5左右，则进气道的综合性能较好。     

超燃冲压发动机隔离段内附面层/激波串相互干扰研究

隔离段内激波串的产生和发展以及激波/附面层相互干扰现象是极为复杂的,有效地进行激波串的组织是研究隔离段的关键所在,而其性能的好坏直接影响着超燃冲压发动机的性能。采用数值模拟的方法对不同来流附面层厚度工况的二维轴对称隔离段内流场流动特性进行了数值计算,分析了附面层/激波相互作用机理和附面层对隔离段激波串及隔离段性能的影响。结构表明:压缩-膨胀-再压缩-再膨胀……的气流流动挤压过程导致激波串的形成,逆压梯度的存在构成了附面层分离;附面层厚度的增加影响着激波串起始位置和结构;随着附面层厚度的增加,出口总压恢复系数和质量平均马赫数降低,且随着反压增大,变化趋势趋于明显。     

双组元离心式喷注器10 N发动机偏工况试验

根据国内外同类发动机研制经验,双组元10 N发动机在入口压力为0.8~2.2 MPa范围内,入口压力偏差会使发动机真空比冲、燃气温度等性能产生较大变化。为了获得双组元离心式喷注器10 N发动机在落压推进系统要求的入口压力范围内性能,通过采用小流量喷雾试验台和42 km高模试验台,对偏工况条件下的冷态性能及热试性能进行试验研究。试验结果表明:该发动机额定入口压力1.58 MPa时真空比冲为2881 N·s/kg;当入口压力在0.6~2.5 MPa变化时,对应真空推力从4.7 N增加到14 N,落压比为3;入口压力0.6 MPa时真空比冲为2600 N·s/kg,入口压力2.5 MPa时真空比冲为2956 N·s/kg;入口压力在0.6~2.5 MPa试验范围内,发动机燃烧室壁温均低于材料许用温度,表明发动机热设计优良,可满足双组元落压推进系统对姿控发动机的性能需求。