基于边界层燃烧方法的宽速域飞行器内流道减阻研究

为了降低宽速域飞行器的内流阻力,基于边界层燃烧方法,分析了系列进口马赫数条件下二维扩散段总阻力中摩阻和压阻的特性,研究了不同进口马赫数下摩阻和压阻分量对总减阻的贡献、燃烧影响区域和壁面热流密度,探讨了喷射参数对减阻效果的影响,探索了边界层燃烧方法在典型混压式进气道中的减阻应用。结果表明,随着进口马赫数的增加,总阻力中摩阻分量随之增加;边界层燃烧对摩阻和压阻减阻的机理有所不同,壁面附近流场特性变化使得摩擦系数减小,燃烧局部增压对壁面产生的增推效果使得压力系数减小;从总内阻减阻百分比看,在相同燃料/空气当量比下,低马赫数工况下边界层燃烧减阻效果不如高马赫数工况,且在低马赫数工况下,喷嘴附近壁面热流密度会显著增加;在本文所研究的参数范围内,摩阻和压阻对当量油气比更为敏感,而对喷射方向和喷射速度不敏感。     

曲形槽道ABLE概念在超声速翼型减阻中的应用

发展了曲形槽道人工钝前缘(Artificially Blunted Leading Edge,ABLE)的概念并将其应用于菱形超声速翼型减阻,阐述了曲形槽道ABLE构型的优点以及减阻原理,采用数值模拟方法对不同参数的ABLE翼型进行了对比研究,数值结果表明,槽道参数设计合理时,能以较小的驻点热流值增量为代价,使本文所讨论翼型的最大升阻比提高20%左右;初步总结了曲形槽道ABLE用于超声速翼型减阻的规律.     

隔离段内超声速流动摩擦阻力分析

以超燃冲压发动机等截面隔离段内部流动阻力特性为研究背景,以数值模拟和实验测量为研究手段,研究马赫数2.5来流条件下,平板流动和带激波反射流动条件下的壁面摩擦阻力.实验测量得到了超声速流动下的壁面摩擦阻力.研究发现,当激波反射形成局部微小分离时,激波和边界层的相互作用使得分离区下游的壁面剪切应力恢复为比分离区上游稍高水平.存在激波反射时,壁面总的摩擦阻力略大于无激波时的平板流动.     

超声速无隔道进气道应用前景的初步研究

随着飞行速度的不断提高,工程中对飞行器包络约束和减阻减重提出了更高的要求,为满足当前工程应用中的迫切需求,以一有隔道进气道为研究背景,对无隔道进气道于超声速领域的应用前景进行初步探索。主要开展了传统和新型两型无隔道进气道的设计研究工作,通过数值计算的方法得到其气动性能和阻力性能的收益变化(传统无隔道进气道在Ma2.2～Ma3.5下总压恢复系数下降5%～7%,额定及超额定状态下减阻约13%～21%;新型无隔道进气道在Ma2.2～Ma3.0总压恢复系数下降2.8%～6.5%,Ma3.5下提升2%,Ma2.2～Ma3.5飞行器减阻约2%～10%),并对其工作机理及流场结构进行了详细的分析,以此给出了工程应用的合理化建议:(1)传统无隔道进气道应选取低马赫数作为设计点,避免其处于亚额定状态工作,以保证获取较好的阻力性能。(2)新型无隔道进气道适用于Ma3量级的超声速领域,具有良好的气动与阻力性能。     

高速飞行器减阻杆槽道组合构型减阻防热特性研究

针对高速飞行器减阻防热问题,提出了一种减阻杆头部开槽进气、中部侧向排气的减阻杆槽道组合构型。基于SST k-ω湍流模型,采用有限体积法求解了二维轴对称雷诺平均Navier-Stokes方程,对组合构型的流场进行了数值模拟,并分析了减阻防热特性以及其影响因素。数值结果表明:相较于单一减阻杆,引入槽道后,侧向排气将分离激波推离减阻杆,飞行器主体再附激波强度明显减弱,组合构型减阻防热特性显著提高;槽道收敛半角越大,侧向排气孔位置越靠近减阻杆中部,构型减阻防热效果越好;随着飞行动压的增加,构型减阻防热性能不断提高。在研究范围内,收敛半角为60°,侧向排气孔位于减阻杆中部的组合构型减阻防热总体效果最好,并且在动压在30.15 kPa时达到最佳,相比单一减阻杆,飞行器主体壁面热流峰值降低33.84%,总阻力降低14.44%。      

方管内超声速湍流流动及旋涡的测定技术研究

本文在Ｍ∞＝１．５８及湍流边界层厚度δ／Ｄ＝０．１条件下，用实验方法研究了管长Ｌ／Ｄ＝６方管内的三维超声波湍流场及其沿程的发展和反压的影响，讨论了壁面边界层沿流向和展向的主要变化特征；指出管内横截面的三维静压场特点，文中最后探讨了超声速湍流流动的方管内旋涡的测量技术。     

通气模型内流道阻力直接测量技术

推阻特性是吸气式飞行器研制中最为关注的气动特性问题之一.为研究通气模型内流道阻力特性,在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)超高速所的1m高超声速风洞上开展了吸气式飞行器通气模型内流道阻力直接测量技术研究.研究选取吸气式飞行器的一个内流道模块为研究对象,通过将内流道模块与模型其余部分进行分离设计、采用特种应变天平直接测量模型内流道气动力的方法得到通气模型内阻,同时进行了干扰因素分析和试验数据修正方法研究,开展了Ma=4条件下的内流道阻力测量试验并给出了典型试验结果.试验结果表明,通气模型内阻随攻角和喉道高度变化而变化.     

超声速进气道内特性数值模拟及性能分析

采用张涵信院士提出的无波动NND格式计算了某二级斜板可调的二元混压式超声速进气道的内部湍流流场 ,较好地模拟了激波间的干扰及激波 -附面层的相互作用 ,并在解法上运用了矢通量分裂算法 ,提高计算的效率、精度和稳定性。通过数值模拟 ,预测了其内流场主要性能参数 ,并分析了飞行条件、几何尺寸调节参数等因素对其性能参数的影响     

可压缩湍流边界层燃烧减阻研究综述

减阻设计对于提高超燃冲压发动机性能具有重要意义,而边界层燃烧是一种有效的减阻方法。综述分别从实验、理论和数值模拟研究方面介绍了边界层燃烧减阻的相关进展。实验研究验证了边界层燃烧减阻的有效性,研究了不同因素对边界层燃烧减阻效率的影响,初步形成了将该减阻技术应用于高超声速飞行器的能力。理论研究建立了考虑边界层燃烧的壁面摩阻、热流理论计算模型,而数值模拟帮助揭示了边界层燃烧减阻的内在物理机理。澳大利亚Queensland大学在该方面开展了较为系统的研究,欧洲、美国、俄罗斯、日本等在该方面极少公开发表相关研究成果。中国学者取得了一定进展,但与世界先进水平仍有较大差距,尤其是在实验研究方面。     

来流边界层拟序结构对超声速混合层流场结构的影响研究

超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景。通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像。根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响。结果表明：当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率。     

平片型控制器湍流减阻的数值模拟

本文用数值方法求解了平片型控制器湍流减阻问题。出发方程和湍流模型分别采用部分拋物化的N-S方程和J-K模型。计算从控制器的上游开始,给出了单片装置及并排双片装置等两种典型的减阻结果,并和实验值进行了对比。     

圆管内高超声速流的发展和激波形态的实验研究

本文的研究目的是了解沿圆管内发展的高超声速流的结构。实验是在加拿大多伦多大学的高超声速炮风洞内完成的,风洞的自由射流马赫数Ｍ＿∞＝８．３０,总温Ｔ＿（ｔ∞）＝１０００Ｋ,总压Ｐ＿（ｔ∞）＝２６．５ＭＰａ单位雷诺数Ｒ＿ｅ＝３．２×ｌ０￣７。壁面静压以及内流中的若干截面内的皮托压力和静压测量结果揭示,管内产生的激波主要是斜激波形态,而且存在着较强的激波与边界层的相互干扰。实验发现,近管中心线的高超声速流动有不稳定现象;壁面的边界层,基本上是湍流边界层,特别是干扰区的下游;圆管出口的周向内壁面的顶壁面静压对管的攻角异常敏感。本文提供的结果,可以指导高超声速流的计算流体力学的方法和进展。     

底部边界排气的减阻效应

本文利用底外侧周向多孔排气的方法研究具有圆柱后体的超声速旋成体底部流动特性及减阻问题。研究工作在超声速风洞进行，来流马赫数从１．５３到３．０１，单位雷诺数为２．×１０＾７／ｍ到２．８×１０＾７／ｍ。文中讨论了排气流量、气体介质对尾流结构与波系分布的影响，对底部增压减阻的效果，测量了底压分布，拍摄了尾流场纹影。实验结果分析表明，采用此种方法能够有效地干扰尾流边界，控制尾流特性，其中氦气在最佳排气流量     

等离子体湍流摩擦减阻研究进展与展望

飞机摩擦阻力可占巡航总阻力的一半以上,减小飞机湍流条件下的摩擦阻力对于提升飞机巡航性能、降低燃油消耗具有重要意义。等离子体激励是等离子体在电磁场力作用下运动或气体放电产生的压力、温度、物性变化等对气流施加的一种可控扰动。采用等离子体激励减小飞机湍流摩擦阻力具有结构重量代价小、易于智能控制等诸多优势,受到国内外广泛关注。鉴于此,按照等离子体激励特性及其与湍流边界层的相互关系,将等离子体湍流减阻方法分为非定常激励、定常激励等类型,并梳理了其研究历程与进展。在平板湍流边界层中,等离子体激励能够诱导大尺度流向涡,产生输运作用,使摩擦阻力减小40%以上;在巡航迎角工况下的翼型上,激励同样能在20 m/s的来流速度下使翼型总阻力减小13.7%。发展新型高效能、高强度等离子体激励方法,实现高雷诺数、强逆压梯度气流环境下的湍流减阻,融入机器学习,推动开环控制向智能自适应发展,是等离子体湍流减阻技术未来的发展方向。     

一种新型边界层控制技术应用于湍流减阻的实验研究

对一种新型的边界层控制技术-菱形网圆坑点阵结构的减阻特性进行了研究,水洞实验表明这种结构应用于NACA-16012翼型表面的减阻效果最高可达22%.     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

凹坑形非光滑表面的减阻性能分析

为了研究非光滑表面减阻的效果及其机理,采用Realizable(现实)k-ε湍流模型对具有凹坑形状表面的流动情况进行了研究,通过与光滑表面的对比,研究了其减阻效果、壁面剪切应力以及速度矢量分布图.     

超声速边界层流动数值模拟的边界条件研究

在超声速边界层的计算中,出口处边界条件的好坏会影响计算结果.Poinsot & S.K.Lele曾建议一种NSCBC方法,被广泛采用.但它是建立在局部一维无粘关系假定上的,而靠近壁面处速度梯度大,粘性作用不能忽略,上述假定不一定成立.此外,NSCBC方法在亚声速区需要下游的某些已知条件,而这往往是无法预先知道的,从而不得不做一些假定.本文将分析这样做可能出现的问题,并对某一类问题,提出一种可以得到更好结果的方法.