宽马赫数范围高超声速进气道伸缩唇口式变几何方案

针对二元高超声速进气道Ma=4～7的宽马赫数范围工作要求,探索了一种伸缩唇口式简单变几何方案,利用一维流理论对其设计方法进行了讨论,给出了一种具体的实现方案,并利用数值仿真手段对其接力点下的自起动性能及其它不同工作马赫数下的性能进行了研究。结果表明:(1)所设计的伸缩唇口式变几何方案解决了宽马赫数工作范围内定几何进气道难以协调的设计矛盾,该方案能使进气道工作范围进一步拓宽至Ma=4～8(9);(2)变几何进气道能使马赫4接力点下的流量系数保持在0.7以上,这为飞行器宽马赫数范围加速提供了强有力保障;(3)与定几何进气道相比,变几何进气道高低马赫数下的总体性能均得到大幅度提高;(4)研究发现,附面层排移及排移位置对改善进气道接力点下的自起动性能有重要影响。     

宽马赫数二维曲面压缩高超声速进气道设计

为设计出工作范围为Ma 2~7的RBCC发动机进气道,利用压升规律可控的二维曲面压缩设计方法,以Ma 6为设计点设计了宽马赫数新型二元高超声速进气道气动型面,采用前掠侧板减小了进气道的内收缩比,在Ma 4以下采用顶板放气的方式来扩展进气道的工作范围。数值模拟研究了进气道的流场及性能,发现采用曲面压缩设计的新型二元进气道在Ma 4~7范围波系较少,流场结构良好,同时总压恢复较高,流量捕获能力强。通过顶板放气可实现在Ma 1.5~4范围内正常工作,放气量在15%以下。从流场和性能参数看,曲面压缩进气道在Ma 4以上性能良好,但在Ma 4以下流量捕获能力偏低。     

马赫数2.5～7.0的二元变几何进气道设计

针对RBCC发动机Ma=2.5~7.0的宽范围工作要求,提出了一种部分顶板转动+唇口平移的二元进气道变几何方案,并通过数值仿真对其总体性能和调节方法进行了研究。结果表明:采用激波依次封口设计概念的变几何进气道在高低马赫数下的总体性能较优,尤其具有良好的流量捕获能力。转动部分顶板的变几何方案拓宽了进气道工作范围,向后平移唇口可以实现超额定工况的起动和Ma=2.3的自起动。变几何进气道的调节方法简单、工程应用可行。     

二元混压超音速进气道数值模拟与试验研究

通过多方案二元混压超音速进气道的设计分析,优选出5种方案进行了数值仿真,确定了用于试验研究的进气道方案。在此基础上,进行了1∶3缩比模型风洞吹风试验,获得了多种工况下进气道的工作特性,分析了马赫数、攻角和侧滑角等参数对进气道性能的影响。结果表明,设计分析方法可行,可用于弹用超音速进气道的设计和验证。     

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。     

超燃冲压发动机变结构进气道设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于多目标优化的变结构进气道设计方法,获得了进气道结构随马赫数和攻角变化的调节规律。以总压恢复系数、压升比和阻力系数为优化目标,以二维混压式进气道为对象,采用遗传算法进行了基准进气道优化设计,得到Pareto非劣解;以一组Pareto非劣解为基准,在不同马赫数和攻角下进行了进气道变结构优化设计,拟合得到进气道结构随马赫数和攻角变化曲线。仿真结果证实了理论分析的正确性,并发现进气道变结构实现了发动机大范围内高性能工作;进气道高度可变,使得发动机在亚燃和超燃模态均能正常起动和稳定工作;以高马赫数作为设计马赫数,变结构设计后,发动机性能提高。     

一种外并联式TBCC变几何进气道的设计

对一种Ma=0～7的二元外并联式TBCC变几何进气道设计开展了研究,给出了进气道总体设计思路、气动型面设计过程、变几何调节规律以及流场控制方案。初步数值仿真结果表明,该进气道满足预期的流量捕获需求,高速通道Ma=4和Ma=7时的喉道总压恢复系数分别为0.62和0.45,低速通道Ma=2.3和Ma=4时的喉道总压恢复系数分别为0.97和0.73;该变几何进气道在模态转换过程可以正常工作,没有明显的流动分离出现;由于侧板溢流,三维计算结果下的总压恢复系数与流量系数略低于二维计算结果。对三维外并联TBCC变几何进气道开展了涡轮通道扩压段设计及数值仿真研究,给出了三维模型的气动特性及涡轮通道的反压特性。     

高超声速进气道起动特性数值研究

进气道的起动能力决定着冲压发动机可能的工作范围,针对由于来流马赫数引起的进气道不起动现象,采用CFD技术开展了高超声速二维进气道起动与不起动过程的数值计算,并检验了一种改善进气道起动性能的边界层抽吸法。结果表明,进气道不起动的主要原因是非定常过程引起的内收缩段边界层分离和分离激波,进气道性能变化的突跃点为起动和不起动的分界点,边界层抽吸可以明显改善进气道的起动性能。     

挡板对四模块可调进气道特性的影响

针对RBCC发动机Ma=2.5～7.0宽范围工作要求,设计了顶板部分可调的四模块二元变几何进气道,并研究了挡板对其总体性能和流场结构的影响.数值计算结果表明:进气道整个工作范围内总体性能较优,特别是流量捕获能力.带挡板时进气道流场基本保持了二维特征,不带挡板时两侧具有明显的三维特征,压缩效率降低,流量系数显著下降.带挡板时进气道左/右模块性能基本相等,不带挡板时左/右模块差别明显,与右模块相比,左模块基本保持了二维流动特征,压缩效率明显更高.     

侧偏捕获对内收缩进气道起动的影响

侧偏捕获是高超声速内转进气道的常见捕获形式之一,但侧偏捕获对进气道起动的影响并不清楚。为探索侧偏捕获对高超声速内收缩进气道起动的影响,采用数值模拟方法研究了侧偏捕获进气道的起动机理。结果表明,无量纲侧偏距离为0.04时,进气道再起动马赫数相对于对称进气道降低3.6%;无量纲侧偏距离为0.06时,进气道再起动马赫数降低7.6%。起动过程的边界层分离表明,内收缩进气道起动过程受分离区的影响很大。侧偏捕获进气道缩小了分离区,有利于再起动。相对于对称捕获进气道,侧偏捕获进气道会形成两个非对称、强度不等的流向涡。侧偏捕获减弱了流向涡对隔离段空间的占据作用,改善了内收缩进气道的性能。