湍流模型在单/双缝引射矢量喷管中的验证分析研究

利用数值模拟方法,分别求解以SA、SSTk-ω、EASMk-ω或k-ζ湍流模型封闭的RANS方程,针对单/双缝引射的激波控制射流推力矢量喷管展开研究,在多个主喷流压比NPR(4.6,7.0,8.78,10.0)和次主流压比SPR(0.7,1.0)下,系统考察了四种不同湍流模型对射流推力矢量喷管内外流场的流场结构,性能参数及主喷管内壁面压力分布的预测能力,探讨了由激波控制产生的推力矢量随不同参数的变化规律。数值计算结果表明,四种湍流模型都能比较准确地预测出射流推力矢量喷管的性能参数和喷管流场结构,双缝引射的推力矢量效率并不一定优于单缝引射。     

火花放电合成射流与超声速来流相互干扰特性数值模拟研究

为了指导火花放电式合成射流激励器在超声速流动控制中的应用,数值模拟研究了火花放电合成射流与超声速来流的相互干扰特性。研究表明火花放电式合成射流在超声速流场中产生强烈扰动,产生较强的激波结构;随着射流的喷出,激励器上游分离区和流场中激波呈先增强后减弱的趋势,激波由弓形激波逐渐弱化为斜激波,并且随着放电能量的增加射流与主流的动量通量比不断增大,射流的干扰和控制能力显著增强。由于超声速流的较大惯性及其对腔内气体的引射作用,激励器的腔体回填速率大幅下降、回填时间明显增长,使得激励器的工作频率受到很大限制。     

辅助活门对串联TBCC排气系统的影响研究

在低落压比状态下,对有无辅助活门的两种串联式TBCC组合喷管开展了数值模拟计算,并对包含辅助活门的串联式组合喷管进行了实验研究,通过分析其壁面沿程压力分布与波系结构的变化情况,探究辅助活门对串联式组合喷管气动性能的影响。结果表明：辅助活门结构减少主流喷管外壁面的流动分离区范围,有效的提高了组合喷管内推力。带辅助活门型组合喷管能够引射环境气流,减少引射喷管壁面的回流区范围与底部阻力,从而减少推力损失,提升组合喷管整体性能。提高次流压比或降低主流压比,主流喷管出口处欠膨胀程度降低,声速线往下游方向移动,主流流量减少。提高主流压比或者次流压比都能使辅助活门引射环境气流量增加。辅助活门进气通道距离会改变次流射流与引射喷管的相对位置,距离过小或过大都会造成引射环境流体流量减小。     

基于混合维度仿真的自适应循环发动机引射喷管安装性能研究

自适应循环发动机（Adaptive Cycle Engine,简称ACE）独特的三外涵道结构使引射喷管成为一种可行的排气系统方案。为准确评估各种工况下引射喷管与ACE匹配工作下的安装性能,提出了一种基于变可信度代理模型的ACE-引射喷管混合维度仿真方法。该方法搭配引射喷管高、低两种可信度的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）仿真模型,建立了引射喷管变可信度代理模型。通过动态更新该代理模型,在引射喷管性能空间的匹配工作区域集中进行高可信度CFD仿真,高效准确地实现了引射喷管匹配状态下的安装性能评估。仿真结果发现,ACE引射喷管在亚声速巡航和超声速巡航状态下的安装推力系数分别为0.979和0.961,在跨声速区段采用中间状态加速时后体阻力系数达到最大,为0.25。亚声速巡航状态下主喷管流量系数最低,为0.896。应用本方法仅需180次低可信度CFD仿真以及173次高可信度CFD仿真即可完成共计33个ACE工作点的引射喷管安装性能计算。     

氢燃料燃烧加热风洞中水蒸气相变效应的数值研究

为明晰氢燃料燃烧加热风洞中的水蒸气相变效应,采用同时考虑凝结和蒸发相变模型的多组分输运可压缩流动数值模拟方法,研究了超声速喷管内的水蒸气凝结过程以及凝结气流再蒸发对典型压缩构型(二维斜劈、三维斜劈和圆锥)流场参数及气动力的影响。结果表明:氢燃料燃烧加热风洞喷管气流中,水蒸气在较低总温条件下确实存在较大程度的凝结相变,但同时在斜劈激波压缩后也存在较强的蒸发相变;凝结会使喷管流场参数发生较大偏离,但再蒸发效应又会使气流经过斜劈压缩后趋近理想状态,趋近的程度受到压缩程度的影响。本文计算条件下,喷管内水蒸气相变导致出口参数偏差大于10%,但经过12°斜劈压缩后,流场参数以及表面气动力可恢复到理想状态的95%以上,此时相变的影响基本可以忽略。     

计算流体动力学在航天飞行器射流逆流中的应用

超声速射流逆流通常用于导弹、航天飞机、卫星和飞船等飞行器运动状态的控制。欠膨胀超声速射流逆流的流场包含有多激波（如弓形激波和马赫盘）、接触间断和剪切层，其结构非常复杂。本文采用激波高分辨率有限差分（ＴＶＤ）格式，对恒定自由流条件，各种不同射流出出口压比的超声速轴对称逆射流进行了数值模拟，且对各种条件下的物理现象给予了分析。计算的马赫盘和弓形激波位置与实验值相吻合，为此类流动问题提供了一种有效的预测     

超声速流场中侧向射流的数值研究

通过数值方法研究拱柱体上侧向射流与超声速来流的相互干扰,为侧向射流喷管出口横截面几何形状的设计提供依据,实现高速飞行器机动飞行的姿态控制。采用多块嵌套网格并行算法,数值求解Navier-Stokes方程以及k-ω湍流模型,分别对四种不同横截面形状(相同面积的圆形、椭圆形、楔形以及倒置楔形)的射流喷管出口形成的流场进行了研究。圆形喷管出口的流场数值计算结果与实验结果相一致,表明本文采用的数值方法可靠以及网格分布合理。对比物面压力分布和射流干扰放大因子发现,对于长轴与来流垂直的椭圆形喷管出口,在射流上游一侧的物面附近形成较大的分离区以及较强的激波,由此产生的高压区有利于侧向射流对飞行器姿态的控制。     

燃烧加热风洞中水蒸气相变的数值研究

采用带有非平衡相变模型和考虑高温气体效应的平衡流动模型的数值方法,模拟了燃烧加热高超声速风洞中燃烧生成的水蒸气在喷管流动中发生相变的物理过程,研究了水蒸气凝结对下游流场参数的影响和凝结后气流进入试验段时尖劈模型斜激波后发生液滴蒸发两种典型情况。研究表明,凝结产生的潜热使试验气流参数偏离初始设定的风洞出口模拟流场;在流场中产生的凝结激波,将加剧凝结对风洞出口参数的均匀性的影响;对出口马赫数为6的喷管,为了模拟静温为220K的高超声速飞行环境,水蒸气的凝结将难以避免;带液滴试验气流经斜劈压缩后液滴蒸发,斜激波后气流热力学参数不能恢复到无相变时斜激波后的状态,将影响模型实验的测力等数据。     

轴对称激波诱导矢量喷管三维两相流数值模拟

运用颗粒轨道模型对轴对称激波诱导矢量喷管内流场进行了数值模拟,并与纯气相条件下的计算结果进行了对比分析,研究了1～30μm不同直径颗粒的运动轨迹和内流场参数的分布特征,并对矢量喷管的推力性能进行了研究。结果表明,颗粒相的加入对射流推力矢量喷管内流场和推力性能都带来很大影响,影响规律与颗粒直径密切相关。为两相流条件下射流矢量喷管的试验研究提供了一定依据。     

喷管超声段壁面冷却热态试验研究

在高温条件下，对三种轴对称收－扩喷管超声段壁面排气引射冷却方案（缝隙式气膜冷却、离散孔气膜冷却和冲击－气膜组合冷却）进行了试验研究。得到了不同冷却方案的壁面压力分布、壁面温度分布和红外辐射特性，以及冷却气流量对这些性能的影响。结果表明：采用排气引射冷却技术可以大幅度降低喷管的壁温和红外信号特征，其中缝隙式气膜冷却的应用前景最好，离散孔式气膜冷却值得深入研究，冲击－气膜组合冷却不适合作为喷管排气引射冷却的基本方案。     

多喷嘴超声速引射器启动性能试验

建立了多喷嘴超声速引射器试车台,采用燃气作为一次流驱动工质对多种多喷嘴构型引射器的启动性能进行了试验研究。试验结果表明:相对于环型引射和中心引射,具有较高一次流马赫数的多喷嘴引射在增强混合的同时引入了额外的压力损失,其启动所需要的第二喉道面积更大、最小启动压力更高;引射喷嘴个数越多、管道马赫数越高、引射喷嘴出口马赫数越高,则所需启动压力越高;引射喷嘴出口马赫数越高,所获得的盲腔压力越低;二次流的"助推"作用可以在一定程度上改善引射器的启动性能。     

多孔喷管降低引射喷管噪声的实验研究

以多孔喷管代替普通收缩喷管或收-扩喷管作为引射喷管系统的主喷管,进行模型实验,结果表明,这种构型引射喷管不仅能显著降低噪声,而且具有良好的气动性能。     

引射器混合室优化技术初步研究

混合室优化设计对超声速引射器引射性能的提高具有非常重要的作用。介绍了常温空气介质情况下引射器混合室不同设计参数试验件的数值模拟和实验研究结果;针对单喷嘴和多喷嘴引射器混合室收缩段长度、平直段长度及平直段截面直径等参数对引射器性能的影响作了对比分析。初步研究表明：多喷嘴引射器引射性能优于单喷嘴引射器,但多喷嘴引射器启动性能低于单喷嘴引射器;在引射器能正常启动的前提下,平直段直径越小,引射器性能更优;收缩段长度主要影响主、被动气流的混合效果,平直段长度主要影响引射器的启动性能,因此对混合室收缩段和平直段长度尺寸的设计需要根据引射器型式（单喷嘴或多喷嘴）合理确定。     

超声速自引射装置的工作过程研究

应用湍流κ-ε双方程模型,分析了液体火箭发动机自引射工作过程所用的超声速自引射装置(简称引射器,包括圆柱型和二次喉道型引射器)在相同二次流入口面积时的流场分布,依据流场分析值确定了激波在引射器内的位置,结果表明喷管内的气流达到满流状态,并根据有关参数计算了引射系数.对比引射器真空舱内压力仿真值和试车测量值,两者基本一致.      

某发动机滑油散热系统改进

针对某型飞机发动机地面出现滑油超温的问题,提出了其滑油散热系统的改进方案.采用试验模拟的方法分别研究了引射系统的混合室横截面积、混合室长度、扩压段及引射器喷嘴形式对引射系统性能的影响.结果表明,采用以较小横截面积增加混合室长度、加装扩压段和采用超声速喷嘴的组合改进方案,可以极大地提高引射系统的引射能力,改进后的滑油散热系统经试验和装机验证能够满足发动机的滑油散热要求.      

非对称安装布局下大型高超声速风洞引射增强型二次喉道数值优化

增强二次喉道扩压能力,降低接力引射器的引射流量是提高大型高超声速风洞运行经济性的重要技术措施。引射增压型二次喉道通过在二次喉道侧壁引射低总压介质增强其扩压能力,是一种非常有潜力的实用方案。本文通过数值模拟研究了其在长模型大攻角等非对称安装布局条件下的运行流场,并进一步优化了压力、介质类型等引射条件。结果表明,优化方案在高超声速风洞复杂运行条件下仍能保持较高的二次喉道扩压能力,较大幅度降低接力引射器的引射流量,具有可行性和实用性。     

弯曲混合管引射系统气动特性实验研究

对波瓣喷管和圆喷管与弯曲混合管匹配的引射系统内流气动特性进行了实验研究, 结果表明:(1)与圆喷管相比, 波瓣喷管可以将系统的引射能力提高约100%, 混合管出口的峰值温度降低近10%, 而两者的总压损失几乎是一致的;(2)因弯曲引起的二次流及主流冲击弯曲壁面的扩散影响, 混合管椭圆形排气口的长轴方向, 尾缘温度明显地高于前缘温度;而在短轴方向, 温度分布呈马鞍形状。      

第二喉道超声速引射器启动性能理论研究

为了给带第二喉道的超声速引射器的工程设计提供设计依据,提出了一套快速分析其启动性能的方法.该方法采用特征线方法分析一次流喷嘴出口流场,结合Korst再压缩判据确定引射器盲腔压力,采用一维控制体方法计算第二喉道引射器的下游流场.采用该方法可以较好地估计第二喉道极限面积比、最小启动压比以及对应的盲腔压力.研究了一次流物性参数比热比和3个几何参数对引射器启动性能的影响.结果表明:该启动性能分析方法具有较好的一致性;较低的盲腔压力对应较高的最小启动压比.      

超音尾喷流红外抑制方案的研究

超音速发动机尾喷流的红外抑制是超音速飞行器隐身性能的重要组成部分。本文提出两种超音速尾喷流的红外抑制方案二次旋流方案与组合波瓣方案 ,并对两种方案共 7组试验件在不同的结构和二次流速度情况下进行了大量重复试验。在旋流方案试验中 ,对二次流加旋诱发大尺度流向涡进行了系统的研究 ,得到旋流角度、二次流速度等对掺混效果的影响规律 ,试验结果表明 :对于本结构方案 ,当二次流速度为 49m/s,旋流角在 3 0°左右 ,掺混效果最好 ,且随二次流流速的增加而加强。在组合波瓣方案的试验中 ,对组合波瓣用于超音尾喷流红外抑制进行了研究 ,试验结果表明可对超音尾喷流的红外起到有效的抑制作用。     

马赫数连续可变跨声速湿蒸汽风洞的研制

用于跨声速气动测量的探针须从亚声速到超声速范围进行标定。变质量槽式喷管通过扩张段壁面上槽缝流出部分气流的自适应特性可在不同背压下得到不同出口马赫数,从而使标定气动探针的风洞实现马赫数从0到超声速的连续变化。为了研究采用湿蒸汽为工质的变质量槽式喷管的性能及优化其结构,采用三维犖-犛方程以及可实现犽-ε湍流模型对其进行了详细的数值仿真。结果表明收缩段型线、扩张段长度及壁槽尺寸等对喷管流场特性有重要影响,喷管进出口压比在一定范围内,槽式喷管有最优的收缩段型线、扩张段长度和开槽尺寸。根据数值仿真结果研制了马赫数从0到1．6连续可变的跨声速湿蒸汽风洞,对此风洞性能进行验证,表明该风洞在马赫数从零到超声速范围内可获得均匀、稳定的出口气流,满足跨声速湿蒸汽气动探针的标定要求。