高超声速咽式进气道起动特性研究

为了研究高超声速咽式进气道在非设计迎角以及低马赫数下的起动性能,利用流线追踪生成了设计马赫数Ma=7,具有8-7无粘基本流场(即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生)的咽式进气道,并对边界层修正前后的两种咽式进气道进行了数值模拟和高超声速风洞实验.实验观测和记录了各个来流条件下进气道模型唇口的激波系结构,测量了沿进气道模型上下壁面中心线从气流进口到出口的沿程静压分布.结果表明:迎角的增大和来流马赫数的减小都会对迸气道的起动性能造成不利的影响,通过对咽式进气道进行边界层修正,可以提高进气道的总压恢复系数,减小内收缩比,从而扩宽进气道起动的马赫数以及迎角范围,对进气道设计有着积极的作用.     

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。     

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。     

内压缩通道几何参数对高超声速进气道性能的影响

用N-S方程模拟了一系列不同收缩比、不同波系配置的内压缩通道内流动,研究了内压收缩通道几何参数对进气道性能的影响,发现对于相同的外压段,内压面积收缩比对进气道内压缩通道温升比、压比和起动性能具有较好的相似规律,且随着内压面积收缩比增加,进气道温升比、压比增加,出口流场畸变下降,起动马赫数增大。通过对相同压比下不同内外压缩比的进气道性能的研究,得到了内外压缩比对进气道效率和起动性能的影响规律,发现压缩程度相同时,进气道效率和起动马赫数均随内外压缩比有先增大后减小再增大的规律。     

基于气体放电的高超声速激波结构显示技术

基于气体放电辐射强度与气体密度的相关性，在高超声速脉冲风洞FD-20中搭建了气体放电流场显示系统，并分别以平板模型、平板-方块模型和简化进气道模型为试验模型，在来流马赫数Ma=12.16、来流静压p≈106Pa的流场条件下开展气体放电流场显示技术研究。在平板实验中，气体放电方法较准确地观测到了电极之间的平板前缘激波结构，与纹影技术测得激波角相差仅为0.21°。在平板-方块实验中，气体放电方法观测到了2个截面（对称面和远离对称面截面）的激波结构，对称面波系结构与纹影和数值计算所得结果基本一致，远离对称面截面的波系结构与数值计算结果基本一致。在简化进气道实验中，气体放电方法观测到了内流道激波交叉形成的菱形结构，且尺寸与数值计算结果相差较小，约为7.9%。这些实验结果表明，在高超声速脉冲风洞中，采用气体放电方法可以获得清晰准确的激波结构，不仅可进行分截面激波结构观测，还可对被模型遮挡的内部区域激波结构进行显示，而且特别适合用于局部复杂流动波系结构的观测。     

隔离段进口非对称来流对激波串结构的影响

考虑进气道出口流场的影响，设计了针对非对称超声速来流矩形隔离段流场研究的直联式试验风洞，模拟进气道出口流场的各种非对称进口条件进行了吹风试验，并测量了隔离段壁面静压和隔离段进口皮托压力。研究发现，随隔离段进口流动非对称程度的增加，激波串长度增加而隔离段耐受反压的能力下降。考虑了隔离段进口流动非对称的影响，对Billig—Wahrup的激波串长度公式作了改进，故提高了激波串长度预测的精确程度。     

内乘波式进气道与内型侧压式进气道性能分析(英文)

采用内乘波进气道技术设计了一个马赫数6进出口均为矩形的高超声速进气道。设计基于一种优于传统方案的基本流场(ICFC型),使用流面追踪和激波切割方法生成进气道三维造型。为了开展对比研究,选择了典型的侧压式进气道为参照,本文进气道设计马赫数、进口形状、收缩比等都与该侧压式进气道相同。数值模拟结果表明,内乘波式进气道的各项性能参数都不低于侧压式,多数性能(如流量捕获系数、总压恢复系数、动能效率等)比侧压式都有提高。对比设计工况的性能分析也显示内乘波式进气道性能明显优于侧压式,且在所考察的各工况下都能捕获超过91%的来流。研究证明了有效利用三维压缩来进行特定设计的内乘波式进气道是一种性能优秀的定几何高超声速进气道,尤其在改善流量捕获能力方面特别突出。     

曲面乘波进气道非设计状态性能研究

高超声速进气道在宽马赫数工作范围内保持高性能一直是个技术难点。设计了一种曲面乘波压缩进气道,并通过改变封口激波马赫数以满足宽马赫数范围内(Ma4.5~Ma6)高性能的要求。数值及实验研究结果表明:适当降低进气道的封口马赫数(从 Ma6降至 Ma5.5)可以有效提高非设计点低马赫数时进气道的流量系数,从而提高超燃冲压发动机的非设计状态低马赫数推进性能;选择适当进气道侧板豁口后掠角度,又能保证低马赫数时进气道能够自起动,同时高马赫数时的发动机性能也能够基本保持,适当减小封口马赫数的进气道能够满足宽马赫数范围工作要求。     

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。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。     

三面压缩式高超声速进气道流动结构研究

采用油滴显示技术结合数值模拟方法对三面压缩式高超声速进气道的流场进行了深入研究.结果揭示由于激波-边界层干扰,三面压缩进气道内存在边界层分离、溢流和三维涡结构等复杂流动现象,尤其是唇口诱发的较大强度的斜激波引起了侧壁和顶面的边界层分离,并在顶面附近形成大尺度的流向涡,造成隔离段内存在明显的分层现象,形成低总压区,需要在进气道设计时对这一现象进行有效控制.     

矩形转圆形进气道马赫5正8°攻角启动性能分析

在马赫5、正8°攻角状态对收缩比为6.9的带楔形前体的矩形转圆形内收缩进气道进行了风洞试验和数值模拟,研究了该进气道无放气及有放气时在风洞中的启动特性。结果表明,无放气状态该进气道在风洞中并不能顺利启动,不启动状态进气道顶板上存在较大分离区,分离激波被推出内压缩段,此时总压恢复仅为0.378,增压比为54.1,出口马赫数为1.48。通过在内压段的顶板上激波附面层相互作用区域放气后,该进气道可在风洞中正常启动。启动后总压恢复为0.558,增压比减小至44.9,出口马赫数为1.84,放气量约为唇口封闭处截面流量的1.2%。以上研究表明,放气可有效改善内收缩进气道的启动性能,启动后放气量较小,总体性能较优。     

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。     

迎角变化引起的高超声速进气道起动迟滞现象试验研究

高超声速进气道在起动过程中存在迟滞现象，起动迟滞对发动机的工作范围有重要影响。以一种Bump/前体一体化进气道为研究对象，通过试验和数值仿真结合的方法，研究迎角变化引起的进气道起动迟滞现象。试验在国防科技大学LF-220自由射流风洞中进行，来流条件Ma=5.0，采用蓄热式加热器对上游气流进行加热，稳定段总压1.59MPa，试验段静温91.67K。试验模型由底座、进气道前体前锥、进气道前体后锥和唇罩4部分组成，模型总长度285mm。采用PSI压力传感器对模型壁面压力进行测量，采样频率为100Hz。试验成功捕捉到进气道随迎角变化由不起动转化为起动的动态过程。研究表明，高超声速进气道随迎角变化存在明显的迟滞现象。试验获得进气道自起动迎角为-1.3°，而进气道自不起动迎角大于10°。在进气道自起动/自不起动过程的研究中发现，随着进气道流动状态的不同，迎角和大尺度分离区交替主导流量变化。     

收敛形进气道数值研究的验证

介绍一种新型的、具有最小喉道面积的三维高超声速进气道 (称之为收敛形进气道 )的数值和实验研究结果。表明使用这种形式的进气道 ,在整个飞行速度范围内可以降低阻力和高超声速发动机表面的热防护要求 ,通过降低外压缩表面的倾斜度和减少进气道及燃烧室壁的面积就可以做到这一点。在采用低维次流动的气体动力设计方法的基础上设计成这种形式的进气道。计算是在无粘气体模型构架内用有限体积法进行的。同时用边界层方程计算出计及粘性的气流特性和进气道特性。数值算法是通过收敛形进气道的有限宽楔形外压缩表面的计算和实验数据来验证的。进行实验研究的马赫数M=2～ 1 0 7,基于模型进气道高度的雷诺数Re=( 1～ 5) × 1 0 6。数值计算与实验结果一致性很好。这些结果也和通常的二维进气道的数据作了比较。     

矩形截面高超声速进气道气动设计及实验验证

首先对矩形截面高超声速进气道设计方法进行了研究,给出了设计流程,并据此设计了矩形截面高超声速进气道.接着对其进行了三维数值仿真研究,给出了进气道性能参数随来流马赫数、飞行迎角及飞行高度的变化规律.最后设计了实验模型,并进行了高焓风洞实验验证.数值模拟及高焓风洞实验验证均表明:本文采用的设计方法可达到预期的设计效果,设计的进气道达到了相应的设计要求,本文采用的数值仿真方法可以较为准确地模拟高超声速进气道内的流动,数值模拟结果可信.     

低雷诺数下进气道异常起动现象及其影响因素探析

结合激波风洞实验和数值模拟分析,对一种二元混压式进气道在实验中低单位雷诺数下反而呈现出自起动特征的异常现象进行了研究。根据激波风洞的反复实验观察,表明随着来流单位雷诺数的降低,在继进气道进入不起动状态之后又会重新出现自起动特征的异常起动现象。该结果与层流模型计算得到的流场结构相符,而与湍流模拟结果差异显著;分析表明,层流情况下,由于分离区向前体压缩面大范围地延伸,缓解了进气道入口的逆压梯度,从而在喉道处可以形成主体为超声速的通畅流道,而湍流情况下,进气道入口处激波/边界层干扰形成过分集中的分离泡则呈现明显的壅塞状态;尽管层流情况下进气道流场结构呈现出较为通畅的类似起动的特征,但其流量系数仍明显低于湍流的情况。因此,实验上所观察到的这种异常起动现象严格地说并不属于真正意义上的起动状态。