高速进气道出口快速撤锥再起动特性研究

为了探寻出口快速撤锥过程对高速进气道起动性能的影响,对二元高速进气道出口快速撤锥过程开展了非定常数值仿真研究。对比了进气道在一个喘振周期中从不同状态点处进行快速撤锥所表现出的起动性能的差异。研究表明,当来流马赫数低于进气道的加速自起动马赫数时,对于高速进气道因出口堵锥节流所引起的不起动流态(喘振),从不同喘振状态开始撤锥,进气道表现出不同的起动特性,而进气道最终能否顺利建立起动流态与快速撤锥时机的选取有关。     

二元高超声速进气道不起动状态的信号特征及预警

 对高超声速进气道的不起动进行了研究,首先给出了某二元高超声速进气道由起动到不起动全过程的壁面压强信号历程,并利用短时傅里叶变换(STFT)和小波变换(WT)方法对不起动过程中壁面压强信号的时-频特性进行了分析,然后采用累积和(CUSUM)和最大似然比(GLR)变化检测算法,对高超声速进气道的喘振现象进行了预测。研究结果表明,高超声速进气道喘振发生时,壁面压强信号的时-频特性存在显著改变,能量谱密度(PSD)分布出现了有规律的集中,其基频在200～340 Hz范围,并随着堵塞度(TR)的增加而增加。另外,在喘振发生前,进气道收敛段的下壁面附近存在大尺度的分离包,其有规律的尺度变化和前后移动导致了明显的壁面压强脉动特征,因此可作为一种前兆来预测喘振现象的出现。在本文条件下,两种变化检测算法均可在大喘发生前约220 ms发出警报,表明了该喘振预警思路的可行性。     

二元外压式进气道斜板和唇口参数选择的风洞试验研究

在几何不可调的二元外压式斜板进气道的设计中，选择合理的斜板和唇口几何能数是最重要的问题之一。本文对一个设计马赫数为１．８的这类进气道的斜板和唇口参数进行了风洞试验研究。用缩尺模型风洞试验，对比分析了不同斜板角和不同外侧唇口内唇角，唇缘半径对进气道内流特性的影响，结果表明，对确定的进气道布局，斜板角小的变化对进气道超音速内流总压恢复系数，稳态出口流场周向畸变指数及喘振裕度的影响很大，唇口参数小的改变     

某型战斗机进气道／发动机相容性研究

简述了在某型战斗机设计过程中,对进气道／发动机相容性问题所作的研究。该研究主要是建立在3项基本试验的基础上,即通过进气道缩比模型吹风试验获得不同飞行状态下进气道出口的畸变参数和图谱;通过发动机低压压气机部件畸变试验获得畸变对低压压气机特性的影响;在上述3项试验的基础上,经过分析和评估,获得偏离进气道调节规律的上边界－发动机喘振限制边界和下边界－进气道喘振限制边界,最后选择了3个飞行状态下进气道出口流场图谱和平均紊流度,研制成模拟板,在高空台上进行了全台发动机进口畸变模拟鉴定试验,通过上述试验研究和评估,为某型战斗机试飞提高了必要的安全保证,并为进气道／发动机相容性设计定型提供了依据。     

基于DMD方法的超声速进气道喘振特性分析

采用非定常数值仿真方法对典型超声速进气道的喘振现象进行了研究，并引入动力模态分解(DMD)方法对小喘和大喘流动特性进行了分析，获取了小喘及大喘的流场振荡特征，其中DMD得到的1阶模态反映了时均流场特征、2阶模态反映了主频振荡流场特性。在此基础上，针对小喘与大喘的相互关系进行了研究，结果表明:进气道内小喘流动包含大喘的流场振荡特性，小喘状态是进气道由不喘到大喘状态的中间状态，由小喘向大喘演化过程中，进气道内一些流动特征逐渐减弱并趋于稳定收敛，大喘的流场结构整体上比小喘状态更为稳定。      

进气道喘振研究中的数字滤波

本文论述了进气道喘振研究中动态信号的数字滤波问题。     

S形进气道锤激波的动态特性

进气道的锤激波载荷是由发动机喘振引起的,是进气道结构设计的最大载荷。为了解进气道锤激波动态载荷特性,对M2129型S形进气道模型进行了三维非定常数值模拟。采用了直接在进气道出口给定压力变化波形的方法模拟喘振压升现象,分析了来流马赫数为0.65,初始进气道换算流量为60kg/s(即出口马赫数为0.44)时锤激波传播过程中进气道壁面压力和进气道内部流动的动态演化过程。发现上下壁面的动态峰值压力可以达到来流静压的2.3倍以上。在锤激波下游,可观察到回流产生,并出现复杂的三维流动结构。锤激波发生0.185s后进气道流动逐渐恢复正常。进一步的研究对比了不同换算流量、锤激波超压比和进气道中心线几何形状对应的锤激波压力变化。发现在较低流量和较大超压比时进气道所受峰值压力更大,锤激波沿进气道传播速度更快。进气道中心线形状的改变会影响锤激波压力的大小和分布,曲率大的地方易产生较大的锤激波峰值压力。     

进气道喘振诱发因素及其可靠性分析

针对飞机进气道的典型故障-喘振的诱发因素进行全方位的分析论证，并为从事航空工程的人员提供一种对动力装置整体性能进行可靠性评估方案，篇末对世界上比较先进的进气道气动设计思想及其喘振机理进行分析，可以为飞机设计师在设计飞机过程中具体分析问题提供一定的参考。     

滑流层对轴对称外压式进气道稳定性的影响

本文论述了在来流M1.72条件下,一个可变中心锥外压式进气道,强度为5～11％的六种滑流层在各种位置上进入唇口时对进气道稳定性的影响。 试验证明,强度低于10％的滑流层在唇口附近进入该轴对称进气道,并没有引起进气外罩内侧的附面层分离 强度直至11％的滑流层可以在进口处任意位置上进入该进气道,而不产生喘振。文献表明,强度仅为6～7％的滑流层就可以导致二元进气道的喘振,从而显示了轮对称进气道对滑流层进入所引起的喘振有较强的抵抗能力。     

高空超声速涡扇发动机喘振特征及扩稳措施的飞行试验研究

基于可调斜板式进气道及涡扇发动机,研究了飞机高空超声速减速条件下,进气道斜板板位快速调零后涡扇发动机的喘振特征,及放大尾喷口临界截面面积和提高风扇转速的扩稳措施对发动机稳定性的影响。结果表明:进气道可调斜板快速调零引起的发动机进口压力波动,会导致进气道与发动机流量不匹配,进气畸变增大;较低风扇换算转速下,进气畸变等降稳因子会导致发动机稳定裕度不足;放大尾喷口临界截面面积,提高了发动机的稳定性,喘振概率大大降低;增加最小燃油流量,提高高空发动机慢车状态风扇转速,可避免发动机进入低转速易喘振区域。     

一种CARET进气道超音速特性试验研究

对一种Caret进气道进行了试验研究,给出了该型进气道超音速基本气动特性。该进气道在Ma=1.6～2.0范围总压恢复急剧下降。在Ma=2.0时,由于亚临界防喘余量较小,在放气门关闭情况下将无进/发匹配点;在喘振点处,稳态周向畸变相对于临界状态在减小,而动态紊流度急剧增加;临界至超临界情况,在两个压缩斜板的交角后管道内出现流动分离。      

超声速颌下进气道亚临界振荡特性试验研究

为了研究超声速颌下进气道的亚临界振荡特性,利用风洞试验,进行了来流马赫数Ma∞=2.5,3.5,4.0,不同攻角,不同节流状态的试验,获得了各状态下超声速颌下进气道的亚临界振荡的频率和压力幅值。研究结果表明,超声速颌下进气道压力振荡随着堵塞度的增加,振荡幅值增大,振荡频率加快;同时振荡的压力峰值趋于尖锐、压力谷值趋于钝化。超声速颌下进气道的亚临界振荡按照压力幅值可以分为三类,即小幅值压力振荡、中幅值压力振荡、大幅值压力振荡;随着进气道出口堵塞度的增加喘振演变过程呈现多样性。     

高超声速混合模块冲压发动机亚燃模块进气道的高焓风洞试验研究

 对适用于轴对称混合模块发动机的亚燃模块进气道(工作马赫数范围3～6)进行了马赫6级高焓风洞试验研究，获得了进气道在不同反压下的性能参数及沿程静压分布。实验数据显示，进气道的流量系数在0.98以上，喉道截面的总压恢复系数为0.52,平均马赫数为2.68，临界状态附近进气道出口平均马赫数低达0.432，对应的总压恢复系数为0.171,反压为自由流静压的267.56倍，为亚燃室的高效、稳定燃烧及亚/超燃室的匹配工作创造了良好的条件。当进气道处于超声速通流状态时，内通道上、下壁面静压沿流向大幅波动且波峰/波谷互相交错，通道的弯曲使得上壁面静压整体比下壁面要高。与等截面管道的反压特性不同，该进气道三维弯曲扩张管道出口的平均马赫数随着反压的增加单调下降，总压恢复系数则随反压的增加先下降后缓慢增加，直至进气道喘振。另外，研究中来流总压由3.0 MPa变化到5.5 MPa，进气道的性能参数及内部流态无明显变化。     

基于台架试验的涡轴发动机喘振发生位置规律

为了探究某型涡轴发动机喘振发生位置规律,采集并分析了台架喘振试验时进气道、轴流压气机叶尖、轴流压气机出口和离心压气机出口的压力信号。采用连续小波时频变换对压力信号进行特征提取,以小波系数作为喘振信号特征,阈值为小波系数最大值的10%,结果表明:某型涡轴发动机的轴流压气机总是比离心压气机先发生喘振,喘振在轴向上由进气道向离心压气机传递的同时,在周向上也沿着压气机转子叶片旋转方向传递。对某型号发动机进行实时喘振监测时,监测轴流压气机能比监测离心压气机更早发现喘振,在后续某型涡轴发动机改型设计时,可增加轴流压气机的喘振裕度来提升整机防喘能力。      

轴对称超音速进气道喘振及其控制

本文介绍了双锥轴对称超音速进气道在来流M_∞=1.97、0°攻角下,几何喉道、中心锥体表面上静压脉动时间历程随流量系数的变化特征。在稳定的超临界和亚临界下,静压时间历程平稳;喘振时,静压脉动值很高,其ΔPr.m.s约为稳定的超临界下的几倍,压力脉动的主特征频率为43.75Hz。 本文的重点是研究轴对称超音速进气道在较大攻角下的喘振特征及其控制效果。进气道喘振时,中心锥背风侧的头波首先产生大振幅的激烈振荡,其压力脉动的主特征频率为18.75Hz,静压脉动的ΔPr.m.s约为迎风侧的二倍;而迎风侧的头波仅作较小振幅的振荡,静压脉动的主特征频率为20Hz,同背风侧的很接近。文中对比了喘振和由于吸除附面层消喘后的头波特征、中心锥体背风侧和迎风侧各自的静压脉动时间历程、静压脉动主特征频率的变化。指出消喘后的背风侧锥面静压ΔPr.m.s仅为喘振时的1/3;迎风侧的静压ΔPr.m.s仅为喘振时的1/2;文中最后对轴对称进气道在较大攻角下的喘振特征作了分析。     

射流预冷不同因素对涡扇发动机性能的影响

为了研究射流预冷下涡扇发动机的性能以及稳定性表现，分别考虑射流预冷导致的进气道掺混换热、截面工质热物理性质的修正以及部件特性修正这三种因素，对涡扇发动机的稳态性能进行了数值模拟。计算结果表明：射流预冷下发动机推力的大幅增长来自于进气流量的增加，其中掺混换热是引起进气流量增加的直接因素，而工质热物理性质和部件特性的变化则导致发动机的推力下降，高水气比下，受进气流量增加的影响，射流预冷仍能大范围的提高发动机的推力水平。进气道掺混换热使得风扇更为逼近喘振点，而随着水气比的增加，风扇和高压压气机的稳定性均有所回升。     

S形进气道锤击波荷载特性分析

利用基于改进的延迟分离涡模拟（IDDES）方法，对亚声速和超声速来流条件下某S形模型进气道进行了非定常计算，研究了发动机喘振所产生的瞬时高压波形对锤击波传播规律的影响.结果表明:锤击波产生后沿进气道迅速向前传播，运动过程中锤击波的运动速度基本保持不变，但强度不断增强.同时受气流离心力的影响，S形进气道弯曲段半径较大一侧壁面受到的锤击波气动荷载值更大.发动机喘振所产生的瞬时高压的加载梯度增加使得锤击波传播速度及强度增强，而压力卸载方式对锤击波强度的影响不明显.在亚声速和超声速来流条件下，增加瞬时高压峰值均使得锤击波荷载强度显著增强，并近似符合二次函数分布规律，而且超声速来流条件下锤击波强度较亚声速来流更强.      

航空发动机进气道出口截面喘振波的分布

用扰流插板使涡扇发动机进气道内产生不对称分布的总压畸变并使发动机出现喘振。在进气道出口即发动机进口截面测取两种不同转速下发动机的喘振压力波。应用小波分析奇异点理论,采用模极大值原理和高阶Daubechies小波多尺度分析,对喘振压力信号进行处理,得到发动机喘振波在其进口截面的波形分布特征。揭示了在两种转速下,喘振波在截面上的分布相似,其频率和幅值与转速成正比。截面中心部分表现为正脉冲,周围部分为负脉冲。在垂直方向上的幅值较大,而两翼较小。对该分布特征进行了分析,初步的推论为:高压压气机引起喘振,稳态压力畸变最严重的区域和未受到畸变扰动的区域,喘振波最为强烈。     

进气道温度畸变问题的研究

重点研究稳态温度畸变对发动机稳定工作的影响。温度畸变分为周向温度畸变和径向温度畸变两种情况。温度畸变将使发动机喘振裕度降低。情况严重时可使发动机工作不稳定,或发动机熄火,从而危及飞行安全。本文半给出进气道温度畸变和稳定性因子的确定方法,作为进气道／发动机匹配研究的基础。     

Busemann进气道无粘流场数值分析

为了研究Busemann进气道的流动特性，对设计马赫数为7的4种不同的Busemann进气道在Ma=4，5，6，7，8来流条件下进行了数值模拟和总体性能分析，对其中的3。截短流线跟踪进气道分析了攻角特性和侧滑角特性。研究表明：基准进气道具有相当高的无粘总压恢复；流线跟踪进气道在设计状态保持了基准进气道的高性能，而同时其起动性能大为提高；截短后的进气道长度大幅减小，而其性能仍然保持在较高的水平；截短流线跟踪进气道对带攻角或侧滑角飞行比较敏感。分析还表明，粘性造成了较大的总压损失。