双燃式(超燃)冲压发动机中激波与边界层之间相互作用对内部流动的影响

在激波风洞中研究了激波与边界层之间相互作用对双燃式（超燃）冲压发动机进气道和燃烧室冷态内部流场的影响，实验发现在进气道中，激波与边界层之间的相互作用产生了两侧均为超声速流的滑移面。实验结果表明内涵道（亚燃室）中流动状态的变化与激波－边界层之间相互作用密切相关。     

高超声速脉冲风洞中带燃料的超燃冲压发动机模型试验

给出了在ITAM最近投入使用的高超声速脉冲绝热压缩风洞AT-303中进行超燃冲压发动机模型实验的结果.实验马赫数M∞≈8,运行时间τ=50~60 ms,雷诺数范围Re1∞=2.7×106~4.0×107,模型表面的边界层自然转捩.在实验中,模型中有燃料供给:把气态氢以超过化学量比率的空气燃料因子注入到燃烧室.提供了足以发生氢燃料自点燃的流动条件.测量了沿进气道楔型压缩面和整个发动机通道上的纵向压力和热流分布.所获数据与同一模型在热射流风洞IT-302M(实验马赫数M∞≈6,8,运行时间τ=100~120 ms,雷诺数范围Re1∞=(1.3~1.8)×106,进气道压缩面和侧压缩面进行了边界层转捩).结果表明:实验模型发动机在两座风洞中进行实验所获得的流态类型相同.发动机刚刚启动时,在进气道入口及其下游的发动机通道内形成超声速流.注入氢后,首先在燃烧室内形成平均流速是超声速的燃烧流动.之后,在燃烧室出口出现热拥塞现象、在进气道扩压段产生伪激波流态.在两座风洞中进行了进气道和发动机通道的流动特征试验,获得了令人满意的结果.     

超声速流中激波/湍流附面层干扰数值模拟

采用修正的B／L湍流模型以及多块结构化网格求解了二维N-S方程。分别对超声速流和高超声速流中的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。本文首先研究了进口马赫数为2．96的超声速流。计算结果准确预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征：分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波。计算的壁面压力分布与实验值吻合较好，计算的分离区长度与实验值比较有一定误差。本文还对进口马赫数为9．22的高超声速流中压缩角引起的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。计算结果与实验结果吻合较好。     

高马赫数小尺度缝隙倒角热流测量

围绕再入式飞行器表面分布式隔热瓦的气动加热问题，针对流动强干扰特征且测量难度较大的小曲率半径缝隙倒角区域，采用Φ0.3 mm量级一体化同轴热电偶开展高马赫数来流条件下的热流测量，研究了缝隙倒角曲率半径、隔热瓦间台阶高度差、缝隙宽度、边界层流态、马赫数等因素对热环境的影响，通过分析热流时域曲线得到了瞬态热流的振荡特征。结果表明:台阶会显著增大热流；边界层流态的差异会引起缝隙倒角热流分布的显著变化；较高马赫数下的热流时域波动特征更温和，热流更低；部分状态存在瞬态负热流现象。 研究结果可为隔热瓦热防护设计和认识缝隙、台阶诱导的复杂流动机理提供参考。     

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.     

超燃冲压发动机模态转换及推力突变实验研究

针对双模态冲压发动机燃烧室模型开展了来流连续变化飞行马赫数5.0~6.0加速上行和6.0~5.0减速下行的地面直连试验研究。首先基于直连台架推力及时间离散质量加权沿程马赫数一维计算，观察到了加速上行过程中来流变化导致的亚燃-超燃工作模态转变及推力突变现象；通过高速纹影流动显示技术及流动特征提取，提炼了来流变化导致模态转换及推力突变过程中瞬态流动特征的发展规律；最后通过超声速核心流激波强度理论以及压比时空图对动态飞行轨迹模态转换及推力突变机制进行了讨论，研究结果表明:释热总量与内流道匹配是模态转换及推力变化过程的根本，主导流动特征是隔离段预燃激波强度演变特性，然而燃料横向射流气动节流以及释热反压在隔离段预燃激波削弱耗散之后，仍然可对来流进行减速并维持推力。同时，动态飞行轨迹气动热及燃烧热积分效应可改变热流边界层特性以及发动机内流道抗反压能力，造成亚燃与超燃工作边界变化。     

驻点壁面催化速率常数确定的研究

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡Navier-Stokes方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用5组分17个化学反应Durm-Kang空气化学模型和轴对称热化学非平衡Navier-Stokes方程，对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟，给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布，并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Pt、SiO2、Ni和某种飞船材料的催化速率常数，建立了数值分析高焓流动边界层催化特性的软件。     

湍流条件下防热瓦缝隙热环境特性实验研究

在激波风洞中马赫数6.1、雷诺数6.2×107/m 的流场条件下,基于平板模型开展了防热瓦缝隙热流测量实验,研究了湍流平板边界层情况下 T 字和十字2种布局缝隙的缝壁热流分布,以及流向角、缝隙宽度、缝隙深度和缝口台阶高度的变化对缝隙热环境的影响。结果表明,缝口边缘特别是 T 字口迎风壁存在很高的局部热流,测量峰值达到11.6倍平板值,流向角为30°~60°时2种布局缝隙的热环境相对较好,缝壁及缝底热流随缝隙宽度和缝口台阶增大而升高。     

非定常同向激波边界层干扰的实验和数值模拟

运动激波在波前同向气流中传播时与壁面附近边界层发生的相互作用，既不同于定常的激波边界层干扰，也与普通激波管中端壁反射激波与边界层的作用有很大差异。通过实验和数值模拟对这一问题进行研究表明，激波与边界层作用后,波面在壁面附近发生了明显弯曲，且触及壁面；弯曲的激波与壁面进一步作用后发生反射，由于波前气流速度不同，这种反射存在规则反射和马赫反射两种类型；由于激波反射，波后壁面附近形成了一个高压区；激波与边界层作用后，波后边界层内出现了一系列高低压区相间的流场结构。     

曲外锥乘波前体进气道低马赫数段实验研究

为了研究新型一体化曲外锥乘波前体进气道在低马赫数端的自起动、抗反压特性及侧滑对性能的影响，基于几何约束及钝度修型的实用化风洞实验模型，采用进气道节流系统，在来流马赫数3.0、3.5和4.0，迎角-4°~6°范围内，不同堵锥位置状态下获得了一体化曲外锥乘波前体进气道的表面压力分布及流场高清纹影。实验结果表明，实验模型在来流马赫数3.5和4.0时具备自起动能力；在0°迎角，来流马赫数3.5和4.0，最大抗反压能力分别约为24和33倍来流压力；侧滑角对一体化曲外锥乘波前体进气道的流量捕获和流动压缩性能影响相对较弱。曲外锥乘波前体进气道具有同超燃冲压燃烧室、高超声速飞行器进行一体化设计的特性。     

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中，高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性，提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法，搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置，并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程，可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点，其加热方式为瞬态加热，能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境，可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

出口马赫数0.81~1.01下涡轮导向叶片全气膜冷却特性研究

通过瞬态热电偶测量方法研究了涡轮导叶叶片全气膜换热系数和气膜冷却效率。试验叶片共有13排气膜孔,气膜孔排由前后2个腔供气,前腔二次流与主流流量比为5.06%,后腔为1.14%。为匹配真实发动机工作条件,叶栅进口雷诺数试验范围为1.7×105~5.7×105,出口马赫数范围为0.81~1.01。试验获取了叶片表面压力系数和换热系数分布规律,并研究了叶栅进口雷诺数和出口马赫数对叶片全气膜冷效分布的影响。结果表明:气膜孔下游的换热系数和气膜冷效较高;主流雷诺数的增加对冷却效率的提升有积极作用,特别是在叶片吸力面,而马赫数对叶片表面气膜冷效影响甚微。     

蛇形进气道地面工作状态附面层抽吸试验研究

对一种蛇形进气道开展了地面工作状态下的抽吸试验研究,结果表明,在该状态下进气道出口截面的总压恢复系数较低、流场畸变较大。为此,本文采用附面层抽吸技术对其进行了地面抽吸状态下的流场控制试验研究。研究结果表明:(1)地面工作状态下,随着出口马赫数的增加,蛇形进气道出口截面的总压恢复系数不断下降,而稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数均上升,稳态径向畸变指数变化不大。本研究的蛇形进气道在出口马赫数为0.45时,总压恢复系数为0.90,综合畸变指数为13.85%,总压恢复较低,畸变较大,超出了一般航空发动机的承受范围。(2)与原型方案的地面抽吸试验结果相比,采用附面层抽吸技术后,进气道出口截面的总压恢复系数得到了提高。在出口马赫数为0.45,相对抽吸量为0.043时总压恢复系数提高了2.6%。     

高超声速对流环境下冷点效应对圆箔式热流传感器测热特性的影响研究

在高超声速对流环境测量气动加热时，圆箔式热流传感器表面温度往往低于被测物体表面温度，这种表面温度的不连续会影响边界层流动，使热流测量结果产生偏差。针对高超声速对流条件下的钝头-平板模型，采用数值模拟方法研究了传感器表面局部低温引起的"冷点效应"形成机理以及对表面热流的影响。结果表明:被测物体表面壁焓H_w与恢复焓H_re的比值H_w/H_re越高，"冷点效应"越明显；传感器表面温度T_w2与被测物体表面温度T_w1的比值T_w2/T_w1越小，"冷点效应"越明显；来流雷诺数Re对"冷点效应"影响较小。在马赫数Ma=18的来流条件下，研究分析了冷点效应对传感器测量结果的影响，结果表明:冷点效应使测量结果偏高1.25倍，复现了热流预示结果与试验结果的差异。     

7°尖锥高超声速边界层转捩红外测量实验

为了推动高超声速边界层转捩研究的深入开展，给边界层转捩机理研究、物理模型验证、转捩数据库构建和转捩天地相关性的建立等提供基础风洞实验数据，在中国空气动力研究与发展中心的Φ1 m高超声速风洞开展了边界层转捩规律红外热图实验。针对半锥角7°尖锥模型，研究了不同单位雷诺数、迎角和马赫数对尖锥边界层转捩位置的影响规律。实验单位雷诺数（0.49~2.45）×107/m，迎角范围-10°~10°，马赫数5~7，模型头部半径0.05 mm。通过红外热图技术测量模型表面温度分布，获得了较为详细的转捩位置和转捩参数影响规律。实验结果表明:在马赫数5~7范围内，马赫数增大，尖锥转捩位置提前，分析认为是高马赫数时的雷诺数较大、自由流噪声水平较高引起；随着单位雷诺数的增大，边界层转捩位置前移，转捩雷诺数保持不变，约为3.0×106；小迎角时，随着迎角的增大，迎风面边界层转捩推迟，背风面边界层转捩前移，在10°大迎角时，迎风区中心线转捩前移，出现迎角"转捩逆转"现象，背风区出现了流动分离导致的低热流条带。     

高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究

为了测量超燃冲压发动机燃烧室的热环境,从Gardon热流计原理出发,发展了一套水冷热流/壁温一体化测量技术.采用热阻分析方法,对传感器的热结构进行了分析与优化设计.测试了多种隔热与外壳材料对传感器响应特性的影响.通过辐射加热方式对传感器进行了标定,获得了热流/电压、壁温/热流的标定曲线.采用该传感器,在模拟马赫数6、总温1800K的来流条件下,对超声速燃烧室的热环境进行了初步测量,获得了与传热分析相一致的结果.     

曲外锥乘波前体进气道流量测量及实验与仿真对比研究

流量捕获特性是高超声速进气道的重要特性。针对一体化曲外锥乘波前体进气道，开展了流量特性精细测量分析以及实验与仿真对比研究。采用节流实验系统，在来流马赫数3.0、3.5和4.0，迎角-4°至6°和不同进锥位置上，获得了该型前体进气道的流量特性，分析了流量测量均方根误差。开展了来流马赫数4.0、迎角-4°~6°条件下的实验与仿真对比研究。研究结果表明:一体化曲外锥乘波前体进气道构型具有良好的流动捕获能力，在来流马赫数3.5、4.0和6.0以及迎角0°条件下，流量系数分别为0.60、0.68和1.00；在节流实验系统充分壅塞的条件下，流量测量均方根误差在2%以内；仿真所获流量特性随迎角变化的线性度较好，和实验结果的吻合度较高。