进气条件对压气机中介机匣流场影响的试验研究

以某压气机中介机匣为试验研究对象,通过改变来流径向分布与马赫数,建立了评估中介机匣气动性能的进口约束条件。在同步测量轴向流路离散压力参数的基础上,分析了中介机匣内部流场对进气条件的稳态响应。研究结果表明:进气条件对中介机匣流动损失影响较大,与均匀进气相比,进气畸变会增大弯曲流道内部径向压力梯度,影响流道曲率与流向压力梯度对附面层的控制效果;支板尾流对通道主流的干扰导致下游平直流道上部区域流场恶化,而进气畸变会加剧支板尾迹的影响;随着进口马赫数的增大,中介机匣总压损失系数与总压畸变强度呈现出不同的增长趋势,其出口流场径向分布对马赫数变化的气动敏感性较高。     

二维弯曲等截面管道中的激波串特性研究

利用Carroll的试验数据验证了数值方法的有效性之后,对二维等截面弯曲管道中激波串的特性进行了数值模拟试验,研究了管道弯曲对激波串的结构与特征长度、壁面沿程静压分布、出口截面马赫数与总压恢复、反压特性等的影响,研究中考虑了不同的进口马赫数和边界层厚度。结果表明,管道弯曲对流动的对称性有着明显影响,当马赫数较高时(如Ma₀=2.45)合适程度的管道弯曲有利改善直管道已有的流动不对称,使激波串长度缩短。管道弯曲能够有效抑制出口压力变化所导致的出口截面马赫数的大幅波动,考虑到低压比时(出口Ma_e>1)直、弯管道之间总压恢复系数存在明显差距,而当压比较高时(出口Ma_e<1)两者相当接近,因此亚燃发动机的超声速扩压器可适当使用大曲率以缩短管道的轴向长度。另外,鉴于弯曲管道与直管道内激波串长度之间的明显差异,已有的基于直管道的激波串长度经验公式不能很好地适用于弯曲管道。     

附面层吸入式进气道内流动损失特性

用数值仿真手段，对进气道内流总压损失采用逐段对比分析的方法，研究了附面层吸入式（BLI）进气道相对于常规S弯进气道的内流总压损失特性。结果表明：进气道出口马赫数不变，较低来流马赫数和较高来流马赫数工况下（方案对应马赫数0.3以下和马赫数0.6以上），BLI进气道产生的流动损失比常规S弯进气道的大，差量达2.4%；中等来流马赫数工况下（本文方案对应马赫数0.3与马赫数0.6之间），BLI进气道产生的流动损失比常规S弯进气道的略小，差量在0.3%以内；流动损失特性间的差异是由于BLI进气道进口前壁面与进口低能附面流改变了进口段流动特性、及在S弯管道内发展的综合作用结果。     

高负荷压气机静叶根部叶型气动性能实验研究

为研究高负荷压气机静叶根部流动状态,抽取该静叶根部叶型并模化成为平面叶栅进行吹风实验,冲角变化范围为-6°~+6°、进口马赫数变化范围为0.5~0.7。对叶栅出口截面气动参数进行了详细的测量,结果表明:非正冲角时叶展中部节距平均总压损失系数小于等于0.036,尾迹宽度和总压损失峰值随马赫数变化均不明显,正冲角时尾迹宽度和总压损失峰值急剧增加;端壁处的压力梯度随马赫数和冲角的增加而增加;0°冲角下随马赫数的增大,出口叶展中部截面二次流动能系数增加,二次流动得到加强,高能量损失区域增大并且尾迹略有变宽。     

大扩张角涡轮过渡段性能试验和数值研究

为研究某型大扩张角涡轮过渡段气动性能,对过渡段内部流场进行了详细的试验测量,同时采用CFD数值模拟对过渡段内部流场进行仿真,并与试验结果进行对比分析.结果表明:过渡段机匣表面流动受强逆压梯度影响,容易发生流动分离;轮毂表面流场受支板前缘冲击绕流的影响,呈现周向不均匀性.来流气流角使得过渡段内部流场向支板一侧偏斜,随着气流角的增大,过渡段总压损失增大.CFD模拟结果与试验测量结果吻合较好,均能很好地捕捉流场的细节特征;过渡段进、出口总压恢复系数随着来流气流角的增大而减小,CFD模拟和试验测量值的偏差约为0.2％.     

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。     

双下侧布局二元超声速进气道掺混气动特性

针对一种冲压发动机用设计飞行马赫数范围为2.5～3.5的双下侧布局二元超声速进气道掺混气动特性开展了高速风洞实验和一体化数值仿真研究.研究结果表明:(1)在混和段内气流是通过两股气流的撞击以及横截面上二次流形成的旋涡不断掺混的,这也是混和段气流损失的主要原因.采用二元进气道的双下侧布局在整个混和段内气流除了在射流区内不均匀外,在1.5D截面至掺混段出口截面4.5D处慢慢趋向均匀.(2)掺混段出口截面与进气道出口截面总压恢复系数变化规律一致.随着来流马赫数和侧滑角的增大,掺混段出口截面总压恢复系数均是逐渐下降,而随着迎角的增大其总压恢复系数是提高的.(3)导流段损失和混和段损失均随着来流马赫数和侧滑角的增大而增大,整个掺混段损失增大.而随着迎角的增大,由于导流段损失逐渐下降,混和段损失变化不大,所以整个掺混段损失是降低的.(4)随着导流角的增加,进气道的总压恢复系数几乎未受影响,而掺混段的总压损失呈线性提高.研究范围内随着导流角的增大,气流导流段的总压损失几乎不变的,而由于径向速度分量增大,混和段损失增加,同时掺混出口截面承受反压能力降低.     

亚声速压气机平面叶栅雷诺数影响试验

采用降低试验压力减小试验叶栅弦长雷诺数的方法,研究了UKG030.3压气机叶型叶片表面和尾迹区域气流随雷诺数、马赫数及攻角变化的流动特性,获得了表面等熵马赫数、总压损失系数等参数随雷诺数的变化规律。试验结果表明：弦长雷诺数减小到一定程度时,叶片吸力面峰值马赫数位置之后会逐渐呈现流动分离气泡产生、分离气泡扩大至分离气泡破碎的过程;长分离气泡出现以后尾迹宽度和叶型总压损失突然急剧增大,但损失突增所对应的临界雷诺数并不一致;叶型总压损失和弦长雷诺数经地面状态参数比值处理以后可以发现,总压损失比突增位置处于0.4倍弦长雷诺数比附近。     

有无边界层吸入对S弯进气道流动特性的影响

为了深入认识一种吸入大量来流边界层的S弯进气道,在完成其设计的基础上,采用仿真方法对其流动特性展开了研究,并与无边界层吸入的S弯进气道进行了对比。结果表明:由于吸入大量来流边界层,该进气道进口段流场主要受钝体绕流与平板边界层相互干扰作用;在内通道第二弯段后半段,二次流逐渐发展成为对涡,并将堆积在下壁面的低能流卷向截面中间,最终在出口截面的中下半部形成了低总压恢复区。另外,边界层的吸入使得进气道总压恢复系数下降约0.04,且随出口马赫数的升高,总压恢复系数先升高后降低,而在无边界层吸入的S弯进气道中总压恢复系数随之单调降低。     

中心线偏置隔离段内激波串振荡特性

采用非定常数值方法研究了一种中心线偏置隔离段内的激波串振荡特性,分析了隔离段出口反压及管道扩张比对激波串振荡特性的影响规律.结果表明:出口总压最大值对应激波串前缘最小位移,出口总压最小值对应激波串前缘最大位移.在一定大小反压条件下隔离段内出现激波串的自激振荡,在较高反压条件下激波串稳定在管道内部.在来流马赫数为2.0条件下,中心线偏置隔离段较等直隔离段更易出现激波串自激振荡.在出现激波串自激振荡时,在同一反压条件下,大扩张比（如37%）隔离段流场的振荡主频、幅度和出口平均总压均小于小扩张比隔离段.      

基于反问题的涡轮过渡流道一体化支板设计方法

为进一步改善大涵道比涡扇发动机气动性能及燃油经济性,降低其污染物排放,控制其重量与成本,提出了一种高效的高、低压涡轮过渡流道整流支板一体化设计理念,即对原型支板与第一级低压涡轮导叶进行初步正问题一体化设计,并基于气流角全三维粘性反问题进行进一步改型设计,使得在保证自身气动性能不降低的基础上,带一体化支板涡轮过渡流道能够与高、低压涡轮实现良好匹配。以某型发动机过渡流道为算例开展了一体化设计工作,并采用三维数值模拟方法进行了设计点、非设计点流场分析评估。结果表明,设计点工况下一体化支板出口气流角以及马赫数分布均与原型导叶出口一致,验证了一体化设计的有效性。同时,带一体化支板的过渡流道总压损失从原型流道的2.49%降低到了1.02%。而在非设计工况,带一体化支板的过渡流道气流分离明显减小,具有更宽的最佳工况范围。     

一种高超声速二元混压式进气道的研究

 针对飞行马赫数为6.00的二元进气道模型开展了高焓脉冲风洞试验研究,分析了进气道在不设置反压和设置反压两种情况下的激波结构、内通道皮托压分布及隔离段出口的性能,并结合数值仿真分析了通道内的流场特性。研究结果表明:在无反压情况下,进气道内通道激波反射明显,靠近下壁面的皮托压值均低于其他测点,在隔离段出口截面,靠近侧壁皮托压有所降低;在一定反压条件下,结尾激波系上传至隔离段内,结尾激波位置不对称;堵塞度为62%的反压条件下,结尾激波系位于喉道位置,隔离段出口截面下半部分已经是亚声速流动;在来流马赫数Ma=6.07,迎角α=4.5°无反压情况下,隔离段出口总压恢复系数为0.477,平均马赫数为2.72,增压比为44,流量系数为0.81,表明进气道性能良好。     

类X-47狭缝式进气道的流动特征与工作性能

对一种背部安装的狭缝式进气道进行了设计和仿真研究,获得了该类进气道的流动特征和工作特性。结果表明,由于存在剧烈的通道弯曲和宽度收缩,进气道的内部流动较为恶劣,边界层气流在通道的上方和下方两侧堆积,并在扩压器后段的上部出现了分离。当自由流马赫数为0.70、迎角为0°时,进气道出口截面的总压恢复系数为0.975,总压畸变指数则达0.484。另外,进气道前方的大鼓包未能起到有效排除前体边界层气流的效果,而正迎角下前体侧棱产生的前缘涡则能将前体边界层扫向机体的两侧,有效减少了进入内通道的低能气流,对出口截面下方两侧的低总压区起着抑制作用。本文的工作还为狭缝式进气道的改进设计提供了依据。     

定几何混压式轴对称超声速进气道气动特性数值仿真和实验验证

 针对一种Ma4一级定几何混压式超声速轴对称进气道进行了数值仿真研究，并和风洞实验结果进行对照，验证了本文所采用计算方法的可靠性。利用CFD方法获得了进气道激波系分布、内通道流场分布和沿程静压分布并对Ma4下稳定亚临界状态进行了分析。研究结果表明：（1）超临界状态下，随着进气道出口反压的提高，结尾激波系向喉道方向移动，结尾激波损失减小，总压恢复系数提高；（2）攻角的增加对进气道的迎风侧和背风侧影响增大，结尾激波系由对称分布向一边倾斜的趋势增大，背风侧的承受反压能力下降，总压恢复系数随着下降；（3）随着来流马赫数的增加，激波损失加大，总压恢复系数随之下降，同时由于激波角变小，激波也越靠近外唇罩，溢流减小，流量系数增大，在激波贴口后流量系数基本保持不变；（4）通道内的静压分布曲线清晰的反映了内通道沿程激波系情况；（5）在大于贴口Ma数工作时，结尾激波系被推出唇口的情况下，由于滑流层作用出现一个类似外压缩式的气动通道从而存在稳定的亚临界状态。     

类X-47狭缝式进气道的流动特征与工作性能

对一种背部安装的狭缝式进气道进行了设计和仿真研究,获得了该类进气道的流动特征和工作特性.结果表明,由于存在剧烈的通道弯曲和宽度收缩,进气道的内部流动较为恶劣,边界层气流在通道的上方和下方两侧堆积,并在扩压器后段的上部出现了分离.当自由流马赫数为0.70、迎角为0.时,进气道出口截面的总压恢复系数为0.975,总压畸变指数则达0.484.另外,进气道前方的大鼓包未能起到有效排除前体边界层气流的效果,而正迎角下前体侧棱产生的前缘涡则能将前体边界层扫向机体的两侧,有效减少了进入内通道的低能气流,对出口截面下方两侧的低总压区起着抑制作用.本文的工作还为狭缝式进气道的改进设计提供了依据.     

一种平面埋入式进气道气动特性的试验

 针对一种平面埋入式进气道开展了高速吹风试验研究,获得了沿程静压分布、出口总压恢复图谱、基本气动性能和压力脉动特性。结果表明：沿程静压分布曲线显示,气流绕前唇口流动是先膨胀加速后减速扩压,进入内通道后上壁面静压均高于下壁面;巡航状态Ma₀=0.7,α=2°,β=0°时,进气道总压恢复系数σ=0.951,综合畸变指数W=3.55%,具有较高的性能;当Ma₀=0.6~0.8,α₀=-4°~6°,β=0°~4°范围内,σ在0.912~0.964之间,综合畸变指数在2.68%~7.43%之间,表明该平面埋入式进气道能够在较宽广的飞行包线内以较高的性能安全工作;脉动压力分析表明,出口总压脉动频谱均呈现出白噪声特征,无明显窄带信号出现,这对进气道/发动机匹配工作是有利的。     

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。      

弹用内乘波式进气道起动性能研究

 为弄清内乘波式进气道在低马赫数状态下的流动特征,分析影响内乘波式进气道起动能力的因素,研究与弹体匹配设计的内乘波式进气道的起动问题。首先基于一种有利于出口均匀性的基本流场,采用流线追踪技术,设计了来流马赫数为4.0且进出口形状适应弹体安装要求的双模块弹用内乘波式进气道;此后,采用计算流体力学(CFD)方法获得了低马赫数下进气道的三维波系结构和流动特征。研究表明,进气道溢流口位置是影响内乘波进气道起动能力的重要因素:在溢流口位置由两侧改至最下端后,起动马赫数由3.6下降为3.3;采用单模块方案,溢流口设置在下端后,起动马赫数下降为3.25。此外,设计内乘波式进气道基本流场也对起动性能有影响:设计出口马赫数不变,双模块方案下,入口气流偏转角每增大2°,起动马赫数约下降0.1;单模块方案下,提高入口气流偏转角最大可使起动马赫数下降为3.1;进气道内收缩比对起动能力的影响体现在入口气流偏转角不变时,进气道起动能力仅取决于内收缩比,设计出口马赫数每增加0.2,起动马赫数约减小0.2。研究所分析的各个弹用内乘波式进气道在设计条件下均可捕获99%的来流,在扩大了工作马赫数范围的同时,保持了高流量捕获性能和高总压恢复系数的优势。