S形进气道流路造型方法及其对性能影响的研究

根据S形进气道的几何边界条件,提出了一种基于多项式的中心线及面积分布率曲线的流路造型方法。选择不同的拐点位置,采用该方法构造了9条具有代表性的中心线及面积分布率方程。组合不同的中心线和面积分布率曲线建立了相应的S形进气道的几何造型,并采用三维N-S方程进行求解,得到了总压恢复系数和DC60等性能指标。分析计算结果表明,中心线对S形进气道总压恢复和出口动压起着主要影响,随着中心线方程拐点位置后移,S形进气道总压恢复系数和出口动压呈明显增加趋势;中心线和面积分布率组合共同影响着DC60指标,当中心线拐点过于靠近进气道进口而面积分布率曲线拐点靠近进气道出口时,进气道下游的涡将会发展到出口,从而大幅度影响DC60指标。     

压气机过渡段造型及三维数值模拟

提出一种基于S形曲线压气机过渡段造型方法.该方法将过渡段造型归结为S形内壁曲线拐点相对位置,面积分布率极值及其极值点相对位置3个几何控制因素.并采用此方法构造了一系列压气机过渡段,并针对这些过渡段进行三维数值模拟.结果表明:面积分布率极值是影响过渡段性能最重要的因素;可以通过调整面积分布率极值来控制过渡段最大面积处相对马赫数,减小外壁气流附面层厚度及支板形成的低压尾迹区;同时,配合变化较陡的内壁造型和合理的面积分布率曲线极值点相对位置,可以改善外壁形状,抑制附面层变厚.对于所研究的过渡段,内壁拐点相对位置为0.18,面积分布率极值点相对位置为0.20,相对马赫数为0.65时,总压损失最小.      

S形进气道流动控制数值模拟研究

采用CFD技术,结合试飞数据,对某S形进气道进行了加涡流发生器的流动控制数值模拟研究.着重分析了三个不同位置加涡流发生器后,进气道内部二次流的发展;之后比较了不加涡流发生器及不同位置加涡流发生器时进气道出口总压恢复、畸变等情况.结果表明涡流发生器明显地影响着进气道内部二次流的发展变化,涡流发生器对进气道出口周向稳态总压畸变有较大程度改善,但是对于提高总压恢复效果不明显.     

背负式S形进气道设计及数值分析

针对无人机布局特点，设计了一种短扩压、大偏距、背负式S形进气道。设计中采用变厚度唇口技术，两曲面相贯构造斜切进口技术，并对前人提出的扩压器中心线方程和面积变化规律进行了改进。利用计算流体力学（CFD）方法分析了S形进气道的内流特性及机身对S形进气道性能的影响。此外，作为验证，进行了进气道与发动机的地面试验，数值计算与试验结果都表明，S形进气道具有较好的气动特性，有一定工程应用价值。     

一种受总体限制的弹用S弯进气道的设计和实验验证

在飞行器总体对发动机进气道长度、偏距和相贯位置有特定要求及叉形弹翼根部空间的限制情况下,设计了一种大偏距、短扩压的S弯进气道。进气道的设计特点是在唇口后保证有尽可能长的S弯扩压段,扩压段在采用合理的中心线变化规律和面积变化规律的情况下,通过变宽度的方法确定截面形状,以满足总体要求。风洞模型实验结果表明:1.进气道具有良好的气动性能,高的总压恢复系数(σ>0.985),较低的周向稳态总压畸变指数(Δσ0<1.0%)和径向稳态总压畸变指数(Δσp<2.8%);2.在一定马赫数下,进气道性能对正攻角和偏航角不敏感,仍保持高的总压恢复系数和低的畸变;3.进气道出口气流紊流度较低(—Tu<2.5%),因此进气道出口截面的总畸变指数低(w<3.0%)。     

亚声速无人机S弯进气道的多点多目标优化设计

为提高亚声速无隔道式S弯进气道的整体气动性能,本文以提高总压恢复系数和降低畸变指数为设计目标,结合高精度数值模拟方法与第二代非劣排序遗传算法（NSGA-II）,开展了无隔道式S弯进气道在马赫数0.25和0.7时的多目标优化设计。整个优化流程基于400个样本,最终得到四幅有效Pareto前沿图。从总压畸变Pareto前沿图中选取出优化算例并与原始进气道进行对比,结果表明：优化后的进气道中心线斜率入口段小、出口段大,而横截面面积分布的曲线斜率恰好相反;优化后的进气道低压区缩小、流动分离得到有效的控制;虽然总压恢复系数提高有限,但是总压畸变得到大幅降低,在马赫数为0.25和0.7时,分别降低15.86%和23.61%。优化后的进气道在马赫数0.25~0.7范围内的整体性能得到有效改善。本文把优化设计方法进一步推广应用于3个马赫数下的多点多目标优化设计,并得到了三维Pareto前沿图。     

半埋入式S弯进气道设计及其优化

为了减小大量附面层(δ=20%入口截面高度)吸入的半埋入式S弯进气道出口畸变,在完成其设计的基础上,以ISIGHT优化软件为平台,应用非支配排序遗传算法对其扩压器部分进行优化,并将优化前后结果进行对比。结果表明:优化后,进气道总压恢复系数略有提高,旋流畸变改善最为明显,降低约49.31%;几何结构相对原型改变较大,中心线趋于前后缓急相当,截面面积开始缓慢递增,靠近出口时急剧增加,呈现出"后发力"的特点;不同马赫数下,优化后进气道出口截面总压恢复、周向总压畸变、旋流畸变都有所改善,但优化前后各参数随马赫数的变化趋势不尽相同。     

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。     

基于迭代物理光学和等效边缘电流方法的S形进气道雷达散射截面研究

为了研究进口形状对S形进气道唇口边缘绕射场与其腔体内部散射场电磁特性的影响,在S形进气道偏心距、面积变化规律、中心线变化规律不变的条件下,采用迭代物理光学法(IPO)与等效边缘电流法(EEC)方法,对圆形、椭圆形、矩形、菱形、W形等5种不同进口形状的S形进气道进行了雷达散射截面(RCS)的数值分析.结果表明,进口形状对进气道的RCS特性影响较大;在较大的探测角范围内,W形进口S形进气道的RCS值明显低于其它进口形状的S进气道;菱形进口进气道的RCS在唇口未做修型S形进气道中最低.W形唇口修型可有效降低唇口边缘绕射场的RCS;而在负探测角时,斜切唇口修型可大大降低S形进气道总散射场的RCS.     

采用几何方式组合壁面压力/马赫数分布的弯曲压缩面

根据给定壁面参数分布规律反设计压缩面的方法,通过几何方式组合研究了壁面采用压力/马赫数复合分布规律的弯曲压缩面,分析了压缩面的参数分布和性能特点.在与参考二维进气道相同约束条件下,将弯曲压缩面应用于二维进气道,分析了其性能并与参考二维进气道进行了对比.数值研究结果表明:几何方式组合能充分发挥壁面按单一参数设计所得弯曲压缩面的优势,使壁面参数分布得到有效改善并趋于更加合理.同参考二维进气道相比,几何方式组合进气道的外压缩面长度有所增加,但在来流马赫数在4~6范围内它的喉道总压恢复系数均得到显著提高.来流马赫数为6时,几何方式组合进气道的喉道总压恢复系数提高10%;来流马赫数为4时其喉道总压恢复系数提高9.6%.     

S弯进气道内旋流的有源涡控研究

 本文给出了来流攻角为30°和40°、进口带分离区的方转圆截面S弯扩压管道内进行抽气形式的有源涡控的气流特性。研究表明,随涡控抽气量增加,旋流明显减小,当抽气量足够大时,整体涡基本被消除;出口平均总压损失下降;总压畸变减小;管道出口流量增大。因此,抽气形式的有源涡控是抑制旋流、减少出口总压平均损失、改善S弯进气道出口流场的有效措施。     

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计.通过数值模拟的手段,对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究,并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证.研究结果表明:中心线控制点纵坐标在1.50~2.25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0.3~0.7的范围内取值时,涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数;采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数;随着飞行马赫数的增加,进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小,在飞行马赫数为0.9附近达到最小,之后又逐渐增加,涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高,在飞行马赫数为0.7附近达到最大,之后又逐渐降低;涡轮模态下,涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0.5,能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求.      

亚声速S弯进气道研究的新进展

当前推进系统与飞行器正朝着高度融合的方向发展,超紧凑蛇形进气道和边界层吸入式进气道则是实现两者融合的关键之一。本文综述了近十余年来国内外关于这两类亚声速S弯进气道的最新研究进展。受显著横向压力梯度、流向逆压梯度的作用,两类进气道内部均存在明显的流动分离,并诱发了大尺度的流向对涡和显著的出口总压畸变。为此,研究者发展了被动式、主动式、混合式等多种流动控制方法,可在不显著降低总压恢复系数的前提下,大幅降低设计工况时出口周向总压畸变。并且,已经建立可适应任意异形进口的S弯进气道气动型面通用设计方法。最后,已有的CFD方法可以较为准确地预测AIP截面平均总压恢复系数,但畸变指数偏差较大。     

双S弯喷管的流固耦合特性研究

为了明晰S弯喷管的流固耦合特性,数值模拟了流固耦合作用下双S弯收敛喷管的结构变形特征及其内/外流特性。结果表明：S弯喷管的圆转方弯曲构型产生了非均匀的流场分布,并增强了结构的弹性特征,它们通过交换气动载荷与变形位移数据形成了S弯喷管流固耦合的作用机理。在气动载荷作用下,S弯喷管沿Y向的最大变形位移为25.3mm,它位于喷管出口上壁面的中心位置。当喷管的结构变形稳定时,第二弯转弯处下壁面的气流加速至局部超音速,壁面静压大幅降低;第一弯下游上壁面附近形成了气流分离区;喷管出口喷流沿轴向向上偏转。流固耦合作用导致S弯喷管的流量系数减小0.6%,推力系数降低1.8%。矩形截面与弯曲构型是影响S弯喷管流固耦合特性的主要几何特征,其中矩形截面能够显著增大喷管的变形位移;S形弯曲构型虽然能够有效抑制变形特征,但它导致喷管多个区域出现变形,喷管的结构变形分布变得更加复杂。     

S型进气道沿程结冰参数变化的数值模拟

采用欧拉-欧拉法,对低来流马赫数和大气结冰条件下S型进气道沿程的空气-过冷水滴两相流场进行了数值计算,获得了进气道沿程和出口面上结冰参数的分布和变化特征.计算结果表明:当来流马赫数从0.1增加到0.5时,进气道入口处附近相对于来流的气动降温从6K增大到17K左右,进气道出口面上的温度畸变指数逐渐增大,液态水含量畸变指数先急剧增大后缓慢减小,在研究范围内来流马赫数为0.2时液态水含量畸变值达到最大.      

斜出口合成射流激励器S进气道分离流动控制

设计加工了单膜双腔式斜出口合成射流激励器,应用PSI DTC Initium压力扫描系统对斜出口合成射流激励器在S进气道主动流动控制中的应用进行了研究。结果表明：斜出口合成射流激励器能够抑制S进气道分离流动,提高出口总压恢复系数σ和降低畸变指数DC90,只需通过改变激励器的工作电压和频率,就可实现对S进气道内部流场的控制。在共振频率下,当来流速度V=80m/s,采用斜出口合成射流控制可使出口截面平均总压恢复系数增加0.37%,此时所耗合成射流能量仅为主流的0.24%。     

进口导流叶片对S弯进气道出口旋流的抑制研究

本文通过在Ｓ弯管道进口段安装水平导流叶片，引主流气流吹除进口分离，有效地 出口旋流和流场压力畸变，使总压恢复提高。其抑制效果与叶片的安装角、安装位置及叶片宽度等参数有关。文中还探讨了安装多块导流叶片时的旋流抑制效果。结果表明安装三块导流叶片片可进一步降低旋汉，减流场压力畸变，并可以彻底消除单涡旋流，且有总压恢复提高。     

涡流发生器对Bump进气道性能影响数值研究

以一种Bump进气道为研究对象,通过在S弯扩压段入口处布置涡流发生器来控制流动分离,减小出口总压畸变。采用CFD数值计算软件对Bump进气道在设计点(Ma=2.0)与非设计点(Ma=1.8,0.8)工况下内、外流场进行计算,分析不同涡流发生器方案的效果。计算结果表明:在设计点工况下,安装涡流发生器能够抑制流动分离,改善进气道流场品质,减小出口总压畸变;在一些非设计点工况下会增大Bump进气道出口总压畸变;Bump进气道总压损失有所增大,不同叶片间距的涡流发生器对总压损失的影响相当。      

大量附面层吸入S弯进气道内吹气控制

为了提高某大量附面层吸入的半埋入S弯进气道气动性能,采用数值模拟方法对其进行吹气控制研究并详细分析了吹气控制机理及吹气位置、吹气量、吹气角度变化对控制效果的影响.结果表明:吹气位置变化显著影响控制效果,最佳吹气位置位于气流分离点稍前的第1弯附近,该位置吹气比为1.75%、吹气角度为20°吹气时总压恢复系数相对原型提高约0.56%,出口周向总压畸变系数和旋流畸变系数分别下降约43.14%和83.60%;吹气角度并非越大越好,吹气时需尽量满足吹气角度较小,保证吹出的气流始终位于附面层内,避免与主流掺混而造成损失;总压恢复、出口周向总压畸变以及旋流畸变三者随吹气量变化的趋势不同,吹气量越大进气道总压恢复及总压畸变改善越明显,而旋流畸变随吹气量的增加先快速下降,随后变缓,最终甚至出现增加的趋势.