矩形隔离段内激波串结构及其影响因素分析

隔离段是超燃冲压发动机的重要组成部分，主要作用是隔绝燃烧与进气道的相互干扰。隔离段中存在的复杂流动现象一直是人们研究和关注的重点。利用三维数值模拟方法对矩形隔离段激波串特性影响因素进行了研究，主要分析了不同来流马赫数、单侧和对称扩张角以及壁面凹腔等因素影响下的激波串特性。结果表明:在高来流马赫数条件下，隔离段内激波串长度变短，隔离段抗反压能力增强，总压损失增大；在单侧和对称扩张隔离段内的激波串结构存在差异，且隔离段后的流场总压损失与扩张形式无关；隔离段添加壁面凹腔后，在不同反压下会出现2种模态（亚临界凹腔模态和超临界凹腔模态），2种模态下隔离段内激波串结构及流场参数特性有所不同，超临界凹腔模态下隔离段抗反压能力下降，总压损失增大。本文的研究结果可为隔离段和燃烧室设计及试验提供参考。     

隔离段横向喷流作用下激波串运动特性研究

在马赫数6的激波风洞中，通过隔离段壁面处的横向喷流控制隔离段反压，借助高速纹影和壁面静压测量，研究了二元进气道/隔离段内激波串运动特性。结果表明:进气道起动后，流场中的反射波系构成了背景激波；开启横向喷流后，隔离段下游气流不断蓄积使得反压升高，隔离段内出现激波串。在反压作用下，激波串逐渐前移，其前沿激波的形态和前移速度受上游背景激波的影响而发生变化；背景激波入射壁面的区域自身存在较强的逆压梯度，能够增强与入射点同侧的前沿激波分支，使得前沿激波急剧前移。前沿激波被推出隔离段后，在进气道肩点附近短暂振荡，反压进一步增大后，进气道不起动并出现喘振。关闭喷流使反压降低后，进气道再起动。     

非对称来流下隔离段内激波串受迫振荡流动实验研究

为探讨超燃冲压发动机隔离段内激波串受迫振荡区域壁面压力脉动特性,用非对称马赫数1.98的隔离段直连实验研究了低频周期性的脉动反压对隔离段内流动的影响.实验结果表明:隔离段能有效地隔离周期性反压脉动对上游未扰动流场的影响;反压脉动以第二特征波速向上游传播并影响了上游的壁面压力脉动,但在激波振荡区域,压力脉动主要受激波振荡的影响;厚附面层一侧的下壁面激波振荡区域内压力脉动前传时以指数规律衰减;薄附面层的上壁面激波振荡区域内压力脉动前传时却是波动的.     

背景波系下的隔离段激波串运动特性及其流动机理研究进展

对高超声速进气道-隔离段激波串在复杂背景波系下的突跳运动特性及其流动机理的最新研究进展进行了综述，涵盖了背景波系作用下的激波串运动特性、突跳机理和突跳运动特性的数学描述方法，以期对高超声速进气道相关研究工作提供一定的参考。首先，对固定背景波系和变化背景波系下的激波串运动特性和突跳机制进行阐述，指出隔离段壁面压力顺压力梯度和逆压力梯度的交替变化是激波串突跳特性产生的内在物理机制。其次，对背景流场下隔离段激波串突跳运动的触发机理和触发条件进行了讨论。最后，基于对运动特性和突跳机制的认识，尝试给出了背景波系作用下的隔离段激波串运动特性的数学模型，为激波串前缘位置控制提供参考。     

高超声速侧压式模型进气道不起动特性分析

对某典型高超声速侧压式进气道三维流场进行了数值分析，就壁面压力分布、波系结构和近壁流谱图与实验结果进行了比较，计算反映了流动的基本特征。分析了在不同来流马赫数下的流动特征，随着来流马赫数的减小，激波角增大，压缩波在通道内的反射次数增加，而强度逐渐减弱，总压恢复系数逐渐增大。当马赫数减小到一定数值时，在等直隔离段入口出现喉道截面，进一步减小来流马赫数，流量阻塞，引起压力升高，波系向进口方向移动，波后出现亚声速流场，进气道不起动。同时还发现当不起动现象发生时，由于波后分离包的存在，在进气道的进口前形成向后倾斜的激波而不是正激波。本文还提出了一种确定不起动马赫数的方法。     

超声速进气道激波串及脉动压力分布特征

超声速进气道正常工作时,超声速来流经过斜激波与正激波的减速增压作用转变成亚音速气流,在这个过程里,通常伴随着边界层分离以及激波等复杂的流动现象。当达到一定的条件时,在进气道内会形成激波串结构,并形成一定强度的脉动压力载荷。本文基于雷诺平均N-S方程法(RANS),模拟了某超声速进气道非定常复杂流动,通过数值模拟捕捉到了该超声速进气道内收缩段流场的激波串结构,获得了进气道下壁面脉动压力载荷沿此进气道纵向的分布规律,为超声速进气道的载荷与环境分析提供了技术支撑。     

超声速喷管起动过程激波结构演化特征

通过改变进出口压比，对马赫数2.7的二维对称拉瓦尔喷管流动进行了试验研究，给出了超声速喷管起动过程中的激波结构演化特征。在试验过程中，固定喷管喉道出口面积比，改变喷管上下游压比，使喷管起动激波从喉道发展到喷管出口处，逐渐过渡到设计工况。在起动激波向下游发展的过程中，喷管内流动经历了教科书上给出的理论过程:喉道正激波、扩张段内正激波、喷管出口马赫反射、喷管出口规则反射、设计工况等；但由于附面层的存在，每一个过程与无粘情况下的激波示意图都有所不同。比如，试验中捕捉到的激波串在向下游的移动过程中，出现的由λ型激波向Х型激波的转变，以及激波串非对称现象的出现等。基于纹影和剪切敏感液晶摩阻显示技术获得了起动激波串的首道激波的三维特征。     

动态节流下激波串运动特性的模拟和分析

为研究动态反压下的激波串特性，针对一种带凹腔的二元进气道/隔离段构型，在马赫数为6的来流下模拟了堵塞比从0.20增长到0.32再保持不变的动态节流流动，分析了堵塞比增长时间（1～10 ms）对激波串运动的影响。结果表明:激波串在节流变化初期向下游运动，随后向上游运动并最终稳定在某一位置。当堵塞比增长时间在5 ms以内时，激波串向下游和向上游运动的幅度分别为3 mm以内和约18 mm，且激波串运动滞后于节流变化，滞后时间随着增长时间的延长而缩短。当增长时间大于等于6 ms时，激波串可向下游运动到凹腔中部，幅度可达31 mm，并伴随着流动振荡；向上游运动幅度仍约为18 mm，激波串运动与节流变化近似同步。分析表明:较短增长时间工况下，激波串运动滞后主要是因为节流引起反压升高、传播时间大于堵塞比增长时间；较长增长时间工况下，凹腔内流动振荡主要是堵塞比增长初期凹腔亚声速区排出流量增加，回流区横向尺度减小，导致凹腔超声速区膨胀并出现“壅塞”，产生分离激波与回流区相互作用、发生振荡。工程设计时应考虑激波串运动的滞后及其对流动性能的影响。     

高超声速进气道流场的数值模拟

运用自主开发的数值模拟软件对高超声速进气道复杂内流场计算进行了数值模拟,以验证其对高超声速进气道流动模拟的适用程度。通过某二元高超进气道模型内流场,德国RWTH Aachen所公布的高超进气道模型内流场计算,对该软件描述高超声速进气道内波系反射相交、激波/边界层干扰、高反压下隔离段内激波串等复杂流动现象的能力进行了考核与分析。计算结果表明该软件能够描述高超声速进气道内复杂的流动现象,即使在进气道承受高的燃烧室反压时,仍具有较高精度。但该软件中的紊流模型不能较好地预报边界层分离,特别是对分离区的大小及其诱导激波的强度等的预测存在一定的误差,因此需要进一步的改进和完善。     

隔离段激波串精细结构与压力特性实验研究

在马赫数为2.5的等截面隔离段风洞中开展了无控制和安装T形涡流发生器两种情况的瞬态流场结构显示与压力测量的实验研究。运用常规纹影和基于纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）对两种不同状态的隔离段激波串三维流场精细结构进行了显示测量。结果表明:较传统纹影的测量结构而言，NPLS精细测量能够得到湍流边界层、激波串、分离区等细节结构。T形涡流发生器产生的展向涡与激波串相互作用，激波串前缘结构为分叉正激波，紧跟其后的第二道激波实际上结构与其类似。同时采用高频压力传感器对两种隔离段中激波串的壁面压力进行了测量，采用常规统计分析方法和差分平方累和方法对激波串压力分布、脉动及其上传特性进行了分析。分析表明，差分平方累和方法可以有效检测激波串的前缘位置。     

矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征

为研究乙烯燃料矩形截面超燃冲压发动机不同燃烧模态下的流动特性，在直连式试验的基础上对冷流和不同当量比的4个状态进行了三维定常数值模拟，比较了试验和计算结果，选择了适用于本构型的模态判别准则，给出了流道内壁面压力、一维平均马赫数的沿程分布规律，分析了各状态下流场中波系结构、流动分离及燃烧的特征。研究结果表明:采用AHL3D对该发动机进行三维计算所得壁面压力与试验壁压吻合良好，试验与计算具有较好的一致性；未注油的冷态情况下流道内形成由多道斜激波与膨胀波组成的反射波系，壁面压力波动较大，波系分布主要受流道结构影响；纯超燃模态时，燃料喷射与主流相互作用使注油位处形成明显激波，压升起点固定在注油位之后，注油位波系对流场结构的影响较大，同时分离结构分布在整个凹槽内；双模态超燃时，流道内主导波系是激波诱导边界层分离形成的斜激波串结构，燃烧室内波系较弱，此时隔离段内激波串前缘后的角区出现分离，凹槽内分离区域减小；双模态亚燃时，随着逆压梯度激波串的前移，隔离段内角区的分离面积不断扩大，凹槽内分离区进一步缩小。发动机处于双模态超燃或双模态亚燃模态时，随着激波串结构的形成与前移，部分燃烧可能在隔离段内完成；而对于纯超燃模态，燃烧仅发生在凹槽与扩张段内，化学反应与高温区的分布相对更集中。     

脉冲爆震发动机反压传播规律数值研究

为研究吸气式脉冲爆震发动机反压的传播规律，以一种特殊构型的隔离段与长径比为20的爆震室构成的发动机流道作为基准模型，并选取4种构型作为对照组，进行了单次爆震的数值模拟。研究了反压的反传速度、峰值及其衰减率，计算了基准模型的总压恢复系数。结果表明:设计的隔离段能有效降低反压的反传速度和峰值；爆震室的长径比越大，所含的燃料和氧化剂越多，反压越难以抑制；在反压向上游传播的初期，压力峰值的衰减率主要受隔离段结构的影响，之后则主要取决于反传距离；当来流压力一定时，长径比越小的爆震室，排气过程越迅速，反压下降得越快；在海平面大气条件下，当来流马赫数为0.15~0.80时，所设计的隔离段并未造成大的总压损失。     

典型几何和流动参数对高超声速进气道性能的影响

用N-S方程模拟了一系列典型二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段模型,模拟发现内压缩通道及隔离段增压比、温升比和总压恢复系数等性能参数主要受面积收缩比、内压缩通道收缩角、隔离段长高比等几何参数以及内压缩通道进口马赫数、密度、附面层厚度等流动参数的影响。内收缩比和内收缩通道收缩角的增大都会使压缩增强;隔离段内沿程平均温升比、马赫数和总压恢复系数曲线则均接近平行直线。内压缩通道进口马赫数的增大也会使压缩增强,但较小的进口马赫数可能引起分离,进而增大增压比;而进口密度增大使附面层变薄,对气流的压缩减弱;进口附面层厚度对沿程平均温升比、增压比以及马赫数的影响近似线性。