前缘钝化和化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道特性的影响

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对不同顶板、唇口前缘钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟,结果表明：相比基准进气道,钝化后进气道上壁面温度边界层厚度较大,下壁面温度边界层厚度较小;在化学非平衡气体模型下,顶板前缘钝化半径(R1)>2mm时进气道的顶板附近和分离区内离解反应较为明显,唇口前缘钝化半径(R2)>2mm时进气道的唇罩、唇口板附近离解反应较为明显;当钝化半径≥4mm时,两种气体模型下进气道出口总压恢复系数和静温的相对变化量绝对值大于0.5%,有必要考虑化学非平衡气体效应对进气道出口性能的影响。     

壁面温度对斜爆震发动机进气道流动特性影响的数值研究

为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响,选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟,对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明,进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象,壁面冷却对其起抑制作用,绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩,同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移,进气道内通道的转捩为分离诱导转捩,转捩位置主要受到分离点位置的影响,整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚,转捩状态下热边界层厚度变化可达5%,温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加,且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时,层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚,约为层流状态3倍,同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。     

一种用于前缘钝化高超声速进气道设计评估的CFD/特征线组合方法及其应用

为便于前缘钝化高超声速进气道设计与性能分析,将CFD方法与特征线法相结合,提出一种高超声速钝化锥/楔流场的快速精确计算方法(CCM方法)。该方法将CFD方法的精度与特征线方法的效率相结合,可进行前缘钝化高超声速进气道的快速设计与性能分析。利用CCM方法设计了一种前缘钝化两级锥轴对称进气道构型,分析了前缘钝化对进气道前体波系位置的影响,并采用CFD模拟开展了相应的对比考察和性能参数影响研究。结果表明,对于轴对称进气道,当前缘钝化半径较小时,进气道前体波系位置及流动性能基本不变;当钝化半径增至一定的尺度后,前缘激波向外偏移以及进气道性能参数的下降开始显露并渐趋明显。在设计状态点附近,低来流Ma下前缘钝化对轴对称进气道性能影响更为显著。对于该轴对称进气道构型,前缘钝化半径在10%捕获半径内变化时,进气道流量系数、出口截面总压恢复系数等参数变化幅度均在10%以内;进气道自起动Ma数略有下降。      

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

高超声速进气道前缘钝度效应试验研究

基于一种典型高超声速二元进气道,考察前缘钝度效应对进气道边界层转捩的影响,加工了四种半径为R=0.05mm,R=0.1mm ,R=0.2mm,R =0.25mm的前缘,在FD-07风洞中开展了自然转捩及人工转捩的风洞试验。试验中采用压缩拐角压力分布特征及进气道起动相结合的方法来估计边界层转捩位置,得出了进气道压缩面边界层转捩位置随前缘半径变化的规律。试验表明在来流条件下随前缘钝化半径增加,边界层转捩位置明显后移。针对R=0.25mm时进气道不起动的情况,基于 线性稳定性理论(LST)理论设计了人工转捩条带,通过试验成功实现了转捩。      

唇缘钝化对高超声速进气道气动特性影响的数值研究

采用二维数值模拟方法,详细探讨了高超声速飞行条件下唇缘钝化对进气道气动特性的影响,给出了唇缘钝化前后进气道在设计与非设计状态下的气动特性。研究表明:唇缘钝化使进气道流场显著复杂化,恶化了进气道气动性能,降低了进气道抵抗出口反压干扰的能力。通常情况下,随着钝化半径的增大,进气道的流量捕获小幅上升,出口马赫数、总压恢复系数下降;在激波相干结构强烈作用时,进气道出口马赫数和总压恢复系数随钝化半径的增大呈现非单调性变化。本研究可为进气道构型的二次设计提供指导。     

壁面粗糙度对高超声速进气道气动性能的影响

为探究壁面粗糙度对于高超声速进气道气动性能的影响,采用经过校验的数值仿真和理论分析相结合的方法进行研究。结果显示:同一飞行马赫数下,随着壁面粗糙度的增加,进气道的流量系数、总压恢复系数和出口马赫数逐渐降低,而静压比、压差阻力系数、摩擦阻力系数以及起动马赫数则逐渐增大;不同飞行马赫数/不同钝化半径下,进气道性能参数随壁面粗糙度的变化规律相似,均表现出较好的拟合规律,据此获得的拟合公式及光滑壁面进气道的气动性能可预估不同壁面粗糙度下进气道的气动性能;就本文研究的进气道而言,当壁面相对粗糙度从0增加至0.625%时,进气道起动马赫数从4.25增加至4.85。壁面粗糙度增加,导致进气道沿程附面层增厚是进气道气动性能参数出现上述变化规律的主要原因。     

前体边界层状态对高超声速进气道流动结构及性能的影响

采用CFD方法研究了前体边界层状态对轴对称高超声速进气道的波系结构、激波/边界层干扰特性以及流量捕获能力、总压恢复系数等的影响,获得了不同马赫数下进气道性能参数随一级锥边界层强制转捩位置的变化规律,并对采用二维粗糙体作为强制转捩措施给流场所带来的干扰进行了分析,研究中还对比了具体进气道设计方案间的差别.      

槽对超声速混压式进气道性能及边界层的影响

为提高定几何超声速混压式轴对称进气道的性能,应用在进气道不同位置开槽的方法,研究了在各级锥体上、锥体折角处开槽时锥体上的边界层变化,研究了多工况下开槽对进气道的总压恢复系数、流量系数、增压比和起动性能产生的影响.结果表明:开槽一方面改变了超声速进气道锥体上的波系分布和进口马赫数,另一方面也使槽后边界层厚度增加,改变了边界层内的速度分布,使摩擦阻力增大.二级锥面上槽后边界层厚度模型1比原型大33.3%,模型2比原型大16.7%,三级锥面上槽后边界层厚度模型1比原型增加52.4%,模型2比原型增加9.1%.开槽使高马赫数下的总压恢复系数有所增加,其增加量随来流马赫数的变化而变化.在马赫数为4.0的设计状态下,折角处开槽可使进气道的总压恢复系数提高1.8%,锥体上开槽可以提高4.3%.锥体折角处开槽对流量系数和起动性能影响不大.     

抽吸腔中心隔板对弯曲壁面边界层抽吸性能影响研究

为了研究抽吸腔内隔板对边界层抽吸性能的影响,在弯曲壁面上均匀分布22个抽吸槽,并在抽吸腔内布置中心隔板,改变抽吸腔出口大小以及入射激波的位置。数值计算采用基于有限体积法的二阶迎风格式来离散二维可压N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,从流场结构、抽吸流量、弯曲壁面的表面摩擦阻力系数、平均总压恢复系数以及平均马赫数等方面对流场进行了分析。结果表明在弯曲壁面抽吸腔内布置隔板会对抽吸效果产生影响,并且影响程度随抽吸腔出口大小以及激波位置的改变而改变。抽吸腔出口非节流时:布置隔板后,激波位于弯曲壁面中段、后段,抽吸效果均无明显变化,进气道性能亦无明显改变;激波位于弯曲壁面前段时,平均总压恢复系数增加8.33%,质量流量增加3.27%,抽吸效果有所改善,进气道性能也有所增强。抽吸腔出口节流时:布置隔板后,与非节流时相反,当激波位于弯曲壁面前段时,抽吸效果无明显改变,进气道性能不变;当激波位于弯曲壁面中段时,弯曲壁面分离泡的长度减小近2倍,质量流量增加66.15%,抽吸效果显著增强,进气道性能变好;当激波位于弯曲壁面后段时,分离泡长度增加了5倍,分离泡高度增加了近2倍,平均总压恢复系数降低8.33%,同时质量流量也减少1.83%,抽吸效果变差,进气道性能恶化。     

考虑压缩性的Langtry转捩模型对双楔平板附面层复杂流动数值模拟研究(英文)

使用一种修正基于当地变量加入压缩性修正进行转捩判断的转捩模型对高超声速下的双楔平板外形的激波/附面层干扰现象进行了研究,并通过数值计算考量了激波边界层中流场特性受高温壁和前缘钝度的影响。通过与实验数据的比较发现,在第1个斜坡存在层流边界层和层流分离现象,前缘钝度和壁面温度对Kink处的分离特性有着重要的影响,并通过和实验静压分布与纹影法得到的激波附面层比较,使用转捩模型得到了不错的结果。     

低于自起动马赫数时高超进气道的非定常流动特性

采用非定常数值仿真的方法研究了低于自起动马赫数时高超声速进气道的非定常流动特性.研究表明:低于进气道自起动马赫数时,进气道处于不起动状态,流场发生喉道壅塞性振荡现象,其流场振荡频率为250Hz.流场振荡主要发生在喉道之前,对其后流场影响相对较小,扰动信号由喉道以当地气流速度向下游传播.隔离段长度对喉道壅塞性流场振荡几乎没有影响.飞行马赫数较小时流场未出现振荡现象,当飞行马赫数靠近自起动马赫数时流场出现周期性振荡现象,并且随着飞行马赫数的增大,此类流场振荡趋于强烈;进气道压差阻力随着时间推进呈现周期性变化,振荡频率同样为250Hz.      

高超声速内转式进气道型面流场重构

内转式进气道流场参数分布不均，为改善该类进气道的气动性能，本文采用数值仿真方法开展了基于型面的内转式进气道流场重构研究。结果表明：流场重构型面中心线对进气道流场结构及流动特性影响较大，在给定偏距/长度与中心线末端斜率的约束条件下，选取合适的中心线起始角能够大幅提高进气道的气动性能，改善流场参数分布。与进气道原型方案相比，流场重构型面中心线10°起始角的进气道方案总压恢复系数、抗反压能力最大分别提升33.7%、26.4%，自起动马赫数下降1.1。随着流场重构型面中心线起始角增大，唇罩激波/侧壁边界层干扰诱发的流向涡减弱、流向涡传输轨迹向唇罩一侧偏移，低能流向唇罩两侧迁移趋势增强。在研究范围内，随着流场重构型面中心线起始角增大，隔离段出口总压恢复系数先增大后减小，自起动马赫数先下降后不变。     

抽吸对方转圆内收缩进气道性能的影响

针对马赫数可控的方转圆内收缩进气道设计了抽吸方案,并通过风洞试验和数值仿真手段研究了其对进气道性能的影响,获得了进气道设计点的工作特性及自起动性能。试验结果验证了抽吸对提升内收缩进气道性能的有效性：在顶板下洗气流集中区域开槽减小了出口涡流区以及提高了抗反压能力,相对原型进气道,设计点（Ma=6.0）放气流量为0.99%的实际捕获流量时出口总压恢复系数提高了3.8%,临界反压从135倍来流静压提高到了150倍。此外,在顶板分离区开槽可以提高进气道的自起动能力,Ma=5.0,攻角AOA=4°时实现了自起动,此时放气流量为0.78%的进口捕获流量,起动后出口增压比和总压恢复系数分别为30.6和0.600。     

Detached-eddy simulation of supersonic flow past a spike-tipped blunt nose

Space vehicle in atmosphere travels mostly at supersonic speed and generates a very strong bow shockwave around its blunt nose. Oblique shock and conical separated flow zone generated by a forward disk-tip spike significantly reduce the drag by reducing the high pressure area on the blunt nose. This study employs improved delayed detached eddy simulation to investigate the characteristic flow structures around a spike-tipped blunt nose at Mach number of 3 and Reynolds number(based on the blunt-body diameter) of 2.72x10~8. The calculated time-averaged quantities agree well with experimental data. Characteristic frequencies in different flow regions are extracted using fast Fourier transform. It is found that two distinct instability modes exist: oscillation mode and pulsation mode. The former is related to the foreshock/turbulence interaction with nondimensional frequency at around 0.004. The latter corresponds to the interaction between turbulence and shock structures around the blunt nose, with a typical coherent structure shedding frequency at 0.092.     

不同边界层厚度下高马赫数进气道自起动过程研究

为了探寻入口边界层厚度变化对高马赫数进气道自起动性能的影响,对简化的二元高马赫数进气道的加速自起动过程进行数值仿真研究,分析了边界层厚度对自起动过程中流场波系结构变化和自起动性能的影响机制,获得了不同边界层厚度下的进气道自起动性能及主分离包高度的变化规律。结果表明:随着边界层相对厚度从0.05增加至0.3,进气道的自起动马赫数一开始保持不变,然后快速增大;相同主流条件下,不起动流场跨越主分离包无量纲压升和主分离包高度随边界层相对厚度的增大均变小;边界层动量损失厚度和跨越主分离包无量纲压升对进气道起动性能影响重大。     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

内收缩段泄流对超声速进气道的影响研究

本文通过对典型二元超声速进气道进行数值仿真,研究了内收缩段中泄流位置对进气道自起动性能及抗反压能力的影响规律和影响机制。研究结果表明:泄流腔改善进气道自起动性能和抗反压能力的内在机制不尽相同,泄流腔位置决定了进气道在临界不起动状态下的泄流量、临界不起动模式和临界反压状态下的泄流量,其中临界不起动状态下的泄流量和临界不起动模式共同影响进气道的自起动性能,而进气道的抗反压能力则主要由临界反压状态下的泄流量决定。在本研究范围内,当Lc=0.31时,进气道自起动性能最好,而当Lc=0.15时,临界压比和总压恢复系数最高。