双模态燃烧室隔离段激波串位置的测量及控制

隔离段是双模态超燃冲压发动机隔离进气道和燃烧室相互干扰、实现亚燃-超燃双模态的重要部件.在发动机实际工作过程中,燃烧室反压引起的进气道不起动在飞行器加速爬升阶段是需要极力避免和预防的.针对双模态超燃冲压发动机整机模型和燃烧室模型进行了数值模拟研究,分析了激波串前沿位置与隔离段压力分布的关系,在此基础上介绍了三种通过隔离段壁面压力实时测量和监控隔离段激波串前沿位置的方法,并完成了验证实验.结果表明,所使用的计算方法有效可行;隔离段壁面压力分布能够很好地反应隔离段的激波串前沿位置,通过监控隔离段壁面压力分布,控制隔离段激波串前沿位置,能够有效避免和预防燃烧室反压过高引起的进气道不起动问题.     

考虑进气道喉道非均匀流场影响的隔离段直连试验

为了研究进气道喉道非均匀流场对隔离段流动特性的影响,设计了能模拟隔离段入射激波和非对称附面层的直连试验装置,并进行了马赫数3.0,3.4和3.8的吹风试验,完成了壁面静压、纹影和NPLS测量,获得了有效的试验数据。结果显示,唇口角对隔离段直连台的起动和耐反压能力影响非常大,随着唇口角度的增加,隔离段的极限反压降低,降低幅度达到22%~32%。与均匀来流相比,激波串很难稳在隔离段入口附近,造成激波串极易被推出隔离段。激波串形态受隔离段入射激波和肩部附近附面层状态的影响较大。NPLS测量系统观察到隔离段内部流场精细结构,如下壁面附面层的转捩现象、激波串的马赫盘、分离和滑移线等。     

中心线偏置隔离段内激波串迟滞特性研究

采用定常与非定常数值计算相结合的方法研究了一种中心线偏置的隔离段流场,分析了不同反压作用下的激波串特征。通过模拟隔离段反压升高和降低的过程,研究了隔离段内激波串的迟滞特性,并比较了扩张比为0,10%,37%隔离段内迟滞特性的差异。结果表明,在来流马赫数2.0条件下,所研究隔离段内存在两种类型的迟滞现象;在同一反压条件下,降压路径对应的激波串更靠近管道入口。当反压接近隔离段所能承受的最大反压时,流场迟滞现象消失。隔离段扩张比越大(如37%),激波串位置出现迟滞的反压范围越宽,迟滞量越小。最后利用流量匹配的观点从无粘角度解释了有粘流道内的激波串迟滞现象。     

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.      

基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法

针对高超声速进气道内强唇罩激波/边界层干扰带来的大尺度分离、流动损失大等问题,提出了基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法。在来流马赫数3、唇罩压缩角18°条件下,仿真对比了后掠/平直2类唇罩2种构型干扰区内的流动特性。结果表明：后掠唇罩入射激波/边界层干扰产生的分离包尺度沿展向呈现逐渐增加的趋势,利用三维后掠入射激波产生的自对称面往两侧的顺压梯度,驱动低能流往两侧迁移,可使得分离区流向尺度相对于平直唇罩构型最大可减小50.6%;在后掠唇罩干扰区内,压力分布呈现以分离线曲率中心为虚拟中心的椭圆相似特征。     

反压对隔离段激波串结构的影响

采用不同的无黏通量格式与湍流模型组合对轴对称圆截面隔离段进行了数值计算,选取与试验结果最匹配的组合研究隔离段在反压作用下的流场结构及参数特性.对不同反压下的独立隔离段模型和隔离段燃烧室模型进行了三维模拟,分析了隔离段反压比对其流场结构、出口参数及其中激波串形态的影响.针对该轴对称隔离段提出了其可承受的极限反压.比较了冷态均匀反压与燃烧诱导反压下的隔离段流场.结果表明:无黏通量格式与湍流模型的选择影响着激波串的形态和长度,对于隔离段数值模拟十分关键;隔离段出口参数受反压影响,出口处在激波串区域时,附近截面上静压分布的不均匀性较大,出口处在混合区时压力分布则相对更均匀,激波串发展程度影响隔离段出口压力均匀性;对于该圆截面隔离段及燃烧室,直接给定均匀的平面冷态反压所产生的激波串与燃烧反压下的激波串在结构形态和起始位置上未见明显差异.      

唇罩激波/边界层干扰的壁面鼓包/次流循环组合控制方法研究

为了对超声速、高超声速进气道内多道连续唇罩激波/边界层干扰现象进行有效控制,提出了一种壁面鼓包/次流循环的组合控制方法,并对相关流动机理及参数影响规律进行了研究。结果表明:通过小尺度鼓包迎风侧弱压缩波束的预增压效应,实现对第一道唇罩激波/边界层干扰的控制;同时,在压差力的驱动下,鼓包下游第二道唇罩激波作用导致的边界层分离包内的低能流进入次流循环装置,并从上游压缩面上的吹气缝喷出,实现对第二道唇罩入射激波的控制。在鼓包与次流循环装置的共同作用下,两道唇罩激波产生的边界层分离被有效隔离并分别控制。同时,本控制方案不会造成进气道捕获流量的损失。相较于无控制方案,鼓包/次流循环组合控制方案可以在来流马赫数为3.95~6.95内实现对多道连续唇罩激波/边界层干扰的控制,改善内通道中的流动,提高进气道的总压恢复性能,最大改善幅度可以达到15.7%。此外,为保证控制效果,应选择合适的吹气缝和引气缝位置。     

圆形出口内转式进气道流动特征

采用数值仿真的方法研究了内转式进气道的流动特征。研究表明:设计状态在近壁面唇罩激波诱发了二次流,进而发展形成流向涡,造成低能流堆积,隔离段出口流场分布不均,消弱了进气道的抗反压能力。有攻角条件下,口面激波偏离唇罩前缘,激波形态发生改变,激波波面中部展向具有准二维特性,压缩面两侧气流压缩变弱,激波层变薄,出现局部膨胀区;有攻角条件下的无黏流场,在进气道压缩段形成三维流向涡,该流向涡促进高能高速气流向壁面迁移,改善了黏性条件下隔离段出口流场的均匀度。     

弯曲扩张段内激波串自激振荡特性

为了研究一种典型超声速进气道弯曲扩张段内流场结构及激波串自激振荡特性,采用数值模拟方法分析了扩张段出口反压对激波串振荡的影响规律及气流分离和激波串振荡的关系。结果表明:随着反压增大,激波串的大幅振荡和小幅振荡交错出现。当激波串头激波与背景激波相交时,激波串出现高频小幅振荡,振动频率大于900Hz;当激波串前缘点的位置处在扩张段上壁面背景激波反射点时,激波串出现低频大幅振荡,振动频率为200~500Hz;而处在扩张段下壁面背景激波反射点时,不会出现低频大幅振荡。激波串振荡频率与扩张段内部分离包变化频率相近,壁面形状和背景激波的逆压力梯度是激波串大幅自激振荡的影响因素。     

隔离段反压对激波串起始位置的影响

使用商业软件FLUENT对三维矩形截面隔离段流场进行了数值模拟。在来流马赫数2.3条件下,通过改变不同的反压来研究反压对不同长高比等截面隔离段和带扩张角隔离段激波串起始位置的影响。结果表明:隔离段长高比对反压与激波串起始位置之间的关系有非常大的影响,当长高比不是非常大时,激波串起始位置与反压成线性关系,当长高比超过此范围后,线性关系不再成立。     

高超声速双模块内转式进气道的流动特性研究-Part I： 设计状态

本文通过特征线法设计了基于多道激波+等熵压缩波的基准流场,在此基础上通过流线追踪法设计了双模块内转式进气道。通过数值仿真和风洞试验相结合的方法,获得了内转式进气道的内外流特性。研究结果表明：在内转进气道最大半径对应的角区位置存在大量的边界层堆积,受第二道激波/边界层干扰,在激波根部卷起锥形旋涡;在内转式进气道内部,唇罩激波和管道边界层干扰显著,管道内存在自唇罩指向压缩面的强周向压力梯度,从而诱导管道内边界层均往一处汇聚,卷起大尺度流向涡。仿真和试验结果表明在来流马赫数5.74,攻角0度状态下,进气道气动性能优良,出口总压恢复系数系数达到0.58,最大抗反压为112倍。     

壁温对隔离段激波串振荡的影响

为了探索存在换热条件下超燃冲压发动机隔离段内部的复杂流动机理，采用2阶精度的非定常数值模拟程序研究了壁温对隔离段内部激波串振荡特性的影响。结果表明:压力振荡曲线与激波串前缘位置之间存在紧密关系。此外，随着壁温升高，隔离段壁面压力振荡的频率减小、振幅增加。研究还发现，隔离段压力振荡标准差最大值位于激波串前缘激波及其与上下壁面边界层相互作的位置，而湍动能最大值则分布在分离区后侧剪切层区域内。      

某典型二元高超声速进气道内二次流分析

对某典型二元高超声速进气道三维流场进行了数值分析，将固壁面压力分布的计算结果与试验结果进行了比较，二者吻合较好，表明数值模拟方法正确，结果可信。分析了高超声速进气道流场的波系结构以及进气道(含隔离段)内二次流特征。给出了外压缩波系下的角涡的形成和发展规律，在侧壁与压缩面相交角区形成为逆时针方向角涡，角涡的形成、发展与近壁激波／侧壁附面层干扰以及压缩面有关。分析了隔离段中的激波的反射状况，提出了隔离段二次流的形成和发展规律以及影响因素。在隔离段进口附近存在一分离区。隔离段内二次涡的形成、发展和消失由上下壁面的压差，激波的移动方向(波后气流的横向流动)等决定。研究还表明对于高超声速进气道即使是二元进气道，也要关注二次涡的存在和发展。     

隔板截面造型对超声速膨胀器流场及性能的影响

采用三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,在设计工况下对3种隔板截面形状的超声速膨胀器的三维流道流场进行了数值研究.结果表明:矩形截面形状的超声速膨胀器近吸力面区域气流速度大,斜激波之后流动损失低,等熵绝热效率较高;正梯形截面形状的超声速膨胀器出口平均绝对马赫数、静压比以及膨胀比大,综合性能相对最优;角区附面层分离、回流形成的低速气流团以及斜激波所导致高速气流的增压过程是出口流动损失的主要来源;优化隔板沿径向的结构,超声速膨胀器的综合性能有望进一步提高.      

超声速膨胀角入射激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

为了揭示膨胀效应对激波/湍流边界层干扰区内复杂流动现象的影响规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、30°激波角的入射激波与10°膨胀角湍流边界层相互作用问题进行了数值研究。系统地探讨了激波入射点分别位于膨胀角上游、膨胀角角点和膨胀角下游3种工况下膨胀角干扰区内若干基本流动现象,如分离泡、物面压力脉动及激波非定常运动、湍流边界层统计特性和相干结构动力学过程等。结果表明,激波入射点流向位置改变对分离区流向和法向尺度的影响显著,尤其是当激波入射点位于角点及其下游区域。研究发现,膨胀角干扰区内物面压力脉动强度急剧减小,分离区内压力波向下游传播速度将降低而在膨胀区内将升高,膨胀效应极大地抑制了分离激波的低频振荡运动。相较于入射激波与平板湍流边界层干扰,入射激波流向位置改变对膨胀角再附区速度剖面对数区及尾迹区影响显著,将导致其内层结构参数升高而外层降低,近壁区内将呈现远离一组元湍流状态的趋势。此外,流向速度脉动场本征正交分解分析指出,主模态空间结构集中在分离激波及剪切层根部附近而高阶模态以边界层内小尺度正负交替脉动结构为主。低阶重构流场结果表明,前者对应为分离泡低频膨胀/收缩过程而后者表征为分离泡高频脉动。     

唇口对侧压式高超声速进气道及等直隔离段影响的数值分析

用N-S方程和RNGk-ε紊流模型计算了RBCC用侧压式高超音速进气道及等直隔离段三维内流场,重点分析了唇口位置对来流Ma=6流场的影响,并分析了有关的现象。结果表明:唇口位置前移使得出口截面上气流的均匀程度、对气流的压缩程度、唇口激波的强度、进气道的流量捕获率和总压恢复系数等都比唇口位置的情况更大,而在喉部时介于二者之间。      

跨声速涡轮叶栅激波损失控制方法

为了降低高负荷跨声速高压涡轮激波损失,发展了针对性的涡轮叶栅激波控制方法。针对吸力侧激波,提出可控膨胀设计概念,结合基于曲率的叶型设计方法,通过调整吸力面曲率分布以控制气流膨胀力度,减小了尾缘激波前马赫数,有效减弱了吸力侧激波强度和叶栅出口压力不均匀程度。针对压力侧激波,发展了消波设计方法,在吸力面的激波作用区域设计一鼓包型线,利用鼓包迎风面压缩波的预增压作用和外凸面膨胀波的消波作用,有效抑制了激波/边界层相互干扰,显著削弱了反射激波强度。可控膨胀设计和消波设计对叶栅尾缘两道激波的控制作用相互独立,可单独采用,当两种方法相结合时,吸力侧激波强度降低了29.66%,叶栅出口压力不均匀程度减小了29.28%,总压损失系数减小了12.11%。      

Tomography-like flow visualization of a hypersonic inward-turning inlet

The flow field in a typical inward-turning inlet was visualized using the Planar Laser Scattering (PLS) method in a shock tunnel with a nominal Mach number of 6. The opaque inlet, which is truncated at a series of sections, and the following transparent isolator, are combined to enable the optical access at different streamwise locations. The sequential PLS images provide a tomography-like flow visualization, which confirm the existence of streamwise Counter-rotating Vortex Pairs (CVPs) in both external and internal flow field of the inlet. Generation mechanisms of these CVPs are unraveled with the help of a numerical simulation, among which the cowl notch plays an important role in the generation of surface trailing CVPs along the centerline of the cowl. Moreover, the cowl shock sweeps the internal boundary layer towards the body side, which ultimately accumulates low-momentum flow on the body side in forms of a large CVP propagating downstream through the isolator. The CVPs formed in the shape-transition are responsible for the nonuniform flow field of the inward-turning inlet. This study indicates that the V-shaped cowl notch affects the downstream flow significantly and, therefore, should be examined thoroughly in practical applications.     

高超声速进气道隔离段反压的前传模式及最大工作反压

对均匀来流和有斜波入射(非均匀)情况下隔离段内流动进行了数值分析,发现反压增加首先在隔离段出口形成激波串,出口压力不断增加,而隔离段内流动没有变化;进一步增加反压,直到隔离段出口附面层开始分离时,激波串开始往隔离段内移动,壁面压力自激波串第一道激波位置开始逐渐增加;反压继续增加,激波串在隔离段内不断地向前移动。分析了隔离段内激波串的流动特征,发现激波串是由系列“斜激波 附面层分离 加速降压”流动组合而成,激波串后的流动为掺混流动(掺混区)。提出了最大工作反压的概念,当反压等于最大工作反压时,激波串位于隔离段出口,波后附面层开始分离,反压的任何增加,激波串就会往隔离段内移动;当反压小于或等于最大工作反压时,隔离段出口为超声速流动。研究还发现最大工作反压比由零反压时隔离段出口平均马赫数唯一确定,马赫数越大,最大工作反压比越大。最大工作反压比数值可用D.E.Nestler的拟合式来计算。