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。     

导流片与进口壁面的距离对驻涡燃烧室性能影响的研究

为了研究导流片位置对含扰流片驻涡燃烧室流场的影响,通过改变导流片与进口壁面的距离,对燃烧室的燃烧湍流流场进行了数值模拟。结果表明:不改变其他条件的情况下,导流片与进口壁面的距离对燃烧效率,总压损失以及燃烧室内部流场都影响较大,在本文研究范围内,存在相对较优的导流片与进口壁面的距离,在该结构下,燃烧室的总压损失为7.6%,燃烧效率为99.78%,并且凹腔内形成稳定的双涡结构。     

短突扩扩压器压力特性的数值研究

短突扩扩压器的性能好坏直接影响到短环燃烧室的总体性能 ,压力特性是扩压器性能最重要的衡量指标。为了进一步深入地研究 ,采用三维数值模拟的方法 ,探讨了短突扩扩压器前置扩压器进口马赫数、突扩角和突扩间隙等参数与压力损失间的变化关系 ,并与试验结果进行了比较。计算结果表明 :在本研究的参数范围内 ,总压损失随进口马赫数的增大而变大 ;存在有最佳的内外环突扩角的组合 (βi=40～ 45°,βo=40～ 5 0°)及相对突扩间隙 (δ=1 .48～ 1 .9) ,使得总压损失系数 σ*最小。数值模拟的结果与试验相比 ,其变化规律是相同的 ,最小总压损失系数所对应的各结构和流动参数的范围与试验也是一致的。     

燃烧室构型对超燃冲压发动机性能影响研究

对 8种进口M数为 2 .5的超燃冲压发动机模型燃烧室在各种驻点条件和燃料总体当量比下进行了实验 ,燃烧室构型、燃料壁面注射、支板注射、凹腔火焰稳定结构对发动机的性能影响进行了研究。一维简化模型进一步提出用于数据处理与分析 ,计算与实验结果基本上一致 ,对影响燃烧效率与总压损失的各因素进行了讨论。     

相对突扩间隙影响压力损失的研究

相对突扩间隙δ是影响短突扩扩压器与火焰筒相互匹配的重要参数，直接影响前置扩压器流场，燃烧室三股流的流量分配等。通过对相对突扩间隙影响压力损失的试验和数值模拟研究，获得了总压损失系数相对突扩间隙的变化规律：随相对突扩间隙（δ＝1.2-3.0)由小到大的变化，总压损失系数先变小，后增加，即存在最佳的相对突扩间隙，使得压力损失有最小值。     

AC-DBD等离子体激励对L形截面钝体风荷载减阻的实验研究

等离子体流动控制是一种应用广泛的主动流动控制技术。为进一步研究其机理、拓展其应用范围,针对L形截面钝体模型,采用3种AC-DBD（介质阻挡放电）等离子体激励器布置形式,比较了施加激励后的减阻效果,并对减阻机理进行了研究。实验在南京航空航天大学0.8 m低速直流风洞中进行（风向角0°、来流速度2~8 m/s）,激励器布置形式为顺来流前缘激励、逆来流前缘激励和拐角激励。研究结果表明:不同来流速度下,等离子体激励器对L形截面钝体都有一定的减阻效果,且减阻效果随流速增大而降低;拐角激励减阻效果最佳,逆来流前缘激励次之,顺来流前缘激励最差;通过流场分析,说明了激励器布置形式变化产生了不同的扰动效果;不同的流动控制机理是影响减阻效果的关键因素。     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系.实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱.     

煤油-氢双燃料超声速燃烧点火特性研究

煤油 氢双燃料的超声速燃烧室中的自点火和燃烧稳定特性在直联式试验装置上进行了实验研究。实验空气总温 1 650～ 1 980K ,总压基本保持在 1 .8MPa左右 ,燃烧室进口M数为 2 .5。用激光粒度仪测量了在加压下煤油的雾化程度。为了寻找能点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比 ,设计加工了四种不同构型引导火焰与凹稳焰一体腔结构 ,利用氢引导火焰局部地加速煤油的化学反应和凹腔的联合促进作用与优化结合 ,发现在没有强迫点火能源条件下点燃并维持煤油稳定燃烧的最低氢当量比能降低至 0 .0 3。燃烧室的性能用简化的一维计算机程序SSC - 3作了初步估算。在长度 42 5mm的燃烧室中获得了煤油的燃烧效率 50 %。引导火焰凹腔一体化结构对点火特性和性能的影响作了讨论     

滑动放电等离子体控制细长体头部背风区非对称涡实验研究

飞行器在大迎角飞行状态下,细长体头部背风区流场演变复杂,会出现非对称旋涡,产生随机侧向力,对飞行器的机动性和敏捷性影响很大。针对细长体大迎角非对称涡控制问题,采用顺流向布局的滑动放电等离子体激励器,结合测压和粒子图像测速（PIV）等手段,对细长体模型开展了风洞实验研究。研究结果表明:激励电压10 kV是流动控制开始生效的阈值电压;当来流速度10 m/s（雷诺数0.8×105）、迎角45°时（激励电压16 kV,归一化脉冲频率1.96）,获得最佳流动控制效果,侧向力系数最高可降低83.48%;随着来流速度继续增大,流动控制效果逐渐减弱,预测在来流速度26 m/s时将完全失效。     

联焰板长度对驻涡燃烧室凹腔流动特性影响的数值模拟

开展了联焰板长度对驻涡燃烧室凹腔冷态流场特性影响的数值研究，结果表明：联焰板的流向长度存在两个临界值：Lc1=1 mm 和Lc2=9 mm，当联焰板的流向长度小于等于临界长度Lc1时，主流会卷入凹腔中，凹腔中无法形成双涡结构；当联焰板的流向长度大于临界长度Lc1小于等于Lc2时，凹腔中可以形成双涡结构，但仍有部分主流会卷入凹腔中；当联焰板流向长度大于Lc2时，凹腔中可以形成双涡结构， 主流几乎不会卷入凹腔中。     

驻涡燃烧室驻涡区三维冷态流动特性数值研究

驻涡燃烧室驻涡区内的流动是影响驻涡燃烧室性能的一个关键因素。首先将数值模拟结果进行与试验测量结果进行对比,确定了最佳的湍流模型,并在此基础上通过数值方法深入研究了驻涡燃烧室驻涡区冷态流动特性。结果发现:通过在驻涡区前壁进气缝中设置一定的矩形挡片可以在驻涡区一定范围内诱发以反向旋转的涡对形式存在的流向涡。对比研究了挡片阻塞比BR(挡片面积与前壁开缝面积之比)分别为0,0.2,0.4时驻涡区内的流动结构,分析了流向涡产生的原因。定量结果表明,当BR=0.2,0.4时,(1)流向涡涡量大小比BR=0时提高了将近100%,BR=0.2对应的流向涡涡量比BR=0.4对应的流向涡涡量略大;(2)在流向涡混合层内,流向涡涡量沿轴向呈先增大后减小的趋势;(3)燃烧室总压损失约比BR=0时大1%。     

基于时间解析PIV的串列水力转轮尾流特性研究

为研究串列水力转轮组合的下游转轮对上游转轮尾流的影响，采用时间解析PIV系统对2个垂直轴Bach水力转轮之间的流动进行测量。在不同来流速度条件下，研究下游转轮的安放角对上游水力转轮尾流的影响，对比分析受到水力转轮边界影响的尾流特征。研究结果表明:来流速度增大时，速度恢复区向上游转轮延伸，当下游转轮安放角小于108°时，该区域的速度随安放角增大而减小；当下游转轮安放角大于108°时，速度变化趋势相反。尾流中的旋涡涡心位置随安放角不同上下偏移，在部分安放角下，旋涡被拉伸变得扁平，流线也因此呈现出与无下游转轮时不同的非水平偏转状态；高能涡量区域在部分安放角和来流速度增大时，逐渐向下游和尾流中心发展，流场中离散的小尺度涡不断增加；尾流中的大尺度涡结构包含于前3阶的POD模态中，而高阶POD模态主要表征小尺度的流动结构。     

基于时间解析PIV的圆柱绕流尾迹特性研究

采用时间解析PIV（采样频率为1000Hz）在0.55m×0.4m声学风洞中测量了直径D=20mm圆柱后方7.5倍直径、圆柱两侧各3.3倍直径所围成范围内的绕流尾迹在雷诺数Re=2.74×104下的非定常流场。针对PIV获得的速度场数据，进行流场和频谱特性分析，探讨了圆柱绕流尾迹中的平均流场和脉动流场特性，以及旋涡脱落的频率特性。提出了基于速度场之间相关性的相位平均分析方法，系统分析了圆柱上下两侧旋涡交替生成、脱落、发展并耗散的完整演化过程。结果表明:在圆柱后方存在一个低速回流区，其中心0.8D的位置附近是流动结构变化最剧烈的区域；圆柱后方1.9D位置附近是上/下两侧脱落旋涡交汇、耦合的区域，湍流脉动最强；圆柱绕流尾迹中，旋涡脱落频率对应的斯特劳哈尔数稳定在0.2左右；基于速度场之间相关性的相位平均分析方法简单有效，可以准确地识别绕流尾迹中旋涡交替脱落和发展的时空演化过程，在非定常流场测量方面具有普遍推广意义。     

旋流作用下突扩燃烧室内冷态流场的 PIV 分析

旋流作用下突扩燃烧室内流场特性的研究对保证燃烧室的正常工作具有重要的意义。利用PIV技术对燃烧室内冷态流场的结构进行了实验诊断与分析,获得了不同实验条件下燃烧室内的速度场、回流区分布和流场内涡的变化规律。研究表明,当入口空气压力变化时,燃烧室内冷态流场可以保持稳定结构,均包含角回流区、中心回流区及剪切层结构。沿燃烧室轴向方向,中心回流区的宽度先增大再减小。随着入口压力的提高,燃烧室内冷态流场的回流区宽度及回流区长度缩短,最大回流速度增大,回流区中心位置向入口移动。同时,在燃烧室冷态流场中会出现由旋流作用引发的涡旋进动现象。     

扩散角对汽车风洞扩散段流动的影响

传统的汽车风洞设计一般参考现有风洞的设计经验和沿用工程估算方法.扩散段是汽车风洞的主要部件之一,它的设计经验和估算方法通常基于均匀来流.笔者采用v2f湍流模型研究两种非均匀来流工况下,不同扩散角对扩散段流动的影响.模型风洞扩散段出口速度分布的数值模拟结果与试验结果的一致性表明:使用v2f湍流模型能够真实反映扩散段流动特性.与均匀来流相比,非均匀来流大幅度增加扩散段总压损失因数,约增加420%.壁面摩擦损失和流动分离损失的相互作用使风洞扩散段在某一扩散角下存在最小总压损失因数,且扩散段进口速度不均匀度越大,最优扩散角越大.     

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0.370%,此时所耗合成射流能量仅为主流的0.240%.     

非结构网格的高超声速粘性MHD流场数值模拟

应用数值方法在非结构网格上对磁场干扰下的二维高超声速钝头体粘性绕流进行了数值模拟。控制方程为N-S方程耦合Maxwell方程的粘性MHD方程组,空间离散采用有限体积方法,对流项用AUSM格式计算,粘性项用中心格式求解,时间推进用显式5步Runge-Kutta格式,引用双曲型散度清除技术加强▽.B=0的条件。计算模型为二维钝头体,在高超声速来流条件下,分别对有、无均匀磁场干扰下的流动进行了数值模拟。计算结果表明,在均匀磁场干扰下,激波脱体距离显著增加,物体表面压力急剧下降。对比表明文中发展的计算方法可以准确地进行二维粘性MHD流场的数值模拟。     

波瓣强迫混合器掺混及燃烧模型实验

针对一个带中心内锥结构的二元波瓣强迫混合器,在模拟加力燃烧室的实验装置上对其掺混和燃烧性能进行了模型实验研究,并与常规的平行进气混合结构进行对比分析。实验结果表明:波瓣混合器使得内、外涵混合气流沿通道高度方向的总压和总温分布趋于均匀,总压损失略大于常规混合器。在相同的油气比下,波瓣混合器可以使燃烧效率较常规混合器提高约10%,而且对点火和燃烧的稳定起到了明显的改善作用。     

跨声速空腔剪切层动态特征传播特性研究

开式空腔流动发生时,剪切层内旋涡运动与腔内前传声波相互作用,引发空腔自持振荡现象。针对长深比为7的开式空腔,采用脉动压力测试技术,在Ma=0.9来流条件下开展腔内剪切层动态特征试验研究,通过频谱分析和互相关分析,揭示剪切层动态特征发展机制和模态噪声传播规律。结果表明：剪切层内单调增大的宽频噪声和类余弦分布的模态噪声相互叠加,使剪切层整体动态特征呈波浪上升发展;模态噪声逆流向上行传播,其速度同样呈类余弦分布,变化趋势与模态噪声幅值保持一致。结合Rossiter模态预估理论发现：同频率的上行模态声波与下行旋涡相互作用,产生了类驻波现象,导致模态噪声功率谱密度和传播速度沿流向周期性变化。     

涡轴发动机燃烧室头部流场试验研究

对涡轴发动机短环直流燃烧室进行了突扩区和火焰筒头部间流场试验研究。采用ＬＤＶ多谱勒激光测速仪测量了燃烧室头部的时均速度场和各测量点的紊流强度，并绘制了流谱。通过对七种不同结构方案扩压器进行试验，研究了几何参数和前置扩压器出口气动参数变化对突扩区和火焰筒头部间速度场以及各点紊流强度、旋涡位置与大小的影响。通过流场分析找出各参数对燃烧室性能影响的规律。本试验结果可为涡轴燃烧室的优化设计提供可靠的有应用价值的试验依据。