冲压增程弹丸进气道特性分析

采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术，对固体火箭冲压发动机增程弹丸超声速进气道特性进行了深入研究。通过数值模拟得到了对应于不同来流马赫数和攻角情况下，临界工况时，超声速进气道内外粘性流场复杂的波系结构，详细分析了来流马赫数和攻角对进气道性能的影响。结果显示，随着来流马赫数的增大，总压恢复系数显著降低，流量系数增大，同时随着来流攻角的增大，总压恢复系数及流量系数逐渐降低，而流场畸变指数则明显增大。     

前机身/进气道攻角特性的数值与试验研究

为研究前机身/进气道内外流场的攻角特性,对其一体化模型进行综合求解。将数值计算结果与试验数据进行对比以验证数值方法。分析了不同攻角下前机身对进气道入口气流的影响以及进气道内部流动情况,同时分析了攻角对进气道总压恢复系数和出口总压畸变指数的影响。结果表明:进气道位于机身下侧的布局能在大攻角下降低进气道入口的迎角和马赫数,有效提高飞行极限;在超声来流下,进气道在很宽泛的攻角范围内总压恢复系数都能达到0.94左右,在9°到18°攻角范围内具有较低水平的总压畸变,在此攻角范围之外,总压畸变对攻角的变化很敏感。     

一种双S形进气道流场特性及控制的试验研究

首先利用高速风洞对一种与机身保形的双S进气道原始模型进行了研究,结果表明进气道出口截面总压周向畸变指数较大.继而,在低速风洞试验的基础上选择了一种基于涡流发生器的流场控制方案,并在高速风洞中开展了对该进气道高速风洞流场控制试验研究,分别获得了流量特性、速度特性、攻角特性和侧滑角特性规律.研究结果表明:(1)原型方案的高速风洞试验结果说明双S弯进气道第二S弯上壁面产生了气流分离,在横截面二次流的共同作用下,导致该方案出口截面的上方存在一较大的低压区,当Ma0=0.8,α=0°,β=0°时匹配点处总压恢复系数σ为0.958,周向总压畸变指数Δσ0达到11.7%,超过了一般航空发动机的忍受范围.(2)与原型方案的风洞试验结果相比,涡流发生器控制技术能够有效抑制双S弯进气道第二S弯上壁面的气流分离,大幅度降低了该进气道的流场畸变.设计状态下(Ma0=0.8,α=0°,β=0°)总压恢复系数σ为0.953,周向总压畸变指数Δσ0仅有2.3%,综合畸变指数W为4.1%,满足了发动机的使用条件.(3)研究范围内,较低的飞行马赫数使得流场控制方案出口截面的总压恢复系数略有升高,但对周向畸变指数有着不利影响.此外,随着攻角从-4°增加到8°,出口总压恢复系数和周向畸变指数均逐渐降低.而当侧滑角从0°变化到6°时总压恢复系数几乎不变,但大侧滑角给周向畸变指数带来的不利影响较为显著.(4)在飞行马赫数Ma0=0.6～0.85,攻角α=-4°～8°,β=0°～6°的范围内,匹配点处进气道的总压恢复系数在0.936～0.961之间,周向畸变指数在1.4％～5.4％之间,综合畸变指数在3.8％～7.0％之间,表明采用流场控制后的进气道方案已达到实用水平.     

一种腹下S弯进气道低速大攻角下气动特性实验

对一种腹下S弯进气道进行了实验研究,得到了低速大攻角下的气动特性,结果表明:随出口马赫数的增加,腹下S弯进气道出口截面的总压恢复系数不断下降,稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数均上升;出口马赫数为0.45时,进气道出口总压信号的功率谱在220Hz处存在峰值,内通道发生了局部流动分离;与地面抽吸状态相比,该进气道在低速大攻角状态下具有较高的总压恢复系数,虽综合畸变指数也偏大,但能够满足发动机正常工作的要求.      

带前输出轴直升机进气道侧滑特性

本文针对带有前输出轴直升机进气道结构特点,以实验的方法,在直升机飞行包线范围内,着重研究在侧滑角从0°到135°状态下的直升机进气道流场特性,测量分析了沿程静压分布、进气道出口截面流场畸变指数、总压恢复系数等进气道性能参数。研究结果表明,这类进气道在各种侧滑状态下总压恢复系数较高,且与侧滑角的关系不大。但是进气道内气流分离的区域和出口截面流场畸变指数却与侧滑角的大小密切相关。其中在侧滑角为90°时,进气道出口截面流场品质最佳。      

超声速颌下乘波进气道一体化设计

为实现冲压发动机进气道/飞行器前体融合化设计,采用轴对称弯曲激波压缩基准流场和等熵压缩基准流场的锥导乘波设计方法,设计出工作范围Ma=2.5~4.5的超声速颌下乘波进气道方案,利用三维流场数值模拟获得了进气道基本性能,并对等熵压缩颌下乘波进气道进行了风洞吹风试验,验证了进气道的性能特性。研究结果表明:(1)设计的颌下进气道可以在Ma=2.5~4.5工作,在设计点Ma=4.0实现前体乘波,并具有大捕获流量、高压缩特性及高升阻比的优点;(2)进气道总压恢复系数和流量系数随着攻角增大而提高,在Ma=4.0,6°攻角状态,该进气道总压恢复系数可以达到0.47,流量系数达到1.20;(3)在更大攻角下由于捕获流量大幅增大,颌下进气道会出现不起动现象,但流场结构和性能稳定。     

低速来流大攻角侧滑角状态下尖脊进气道气动特性试验研究

在低速来流状态下试验研究了大攻角(α=0°～45°)和侧滑角(β=-15°～15°)对Caret进气道气动性能的影响。给出了在各攻角下进气道性能参数随侧滑角变化的特点及典型状态下进气道出口总压恢复系数分布图谱,分析了出口总压分布图谱与进气口流动之间的关系。试验表明:在低速来流状态(Ma≈0.1)下,随着攻角的增加(α从0°增加到45°),进气道总压恢复系数下降较小,总压畸变指数几乎不变,这有利于飞机的大攻角机动飞行。      

S弯进气道旋流畸变数值模拟及特性分析

利用FLUENT软件对S弯进气道旋流畸变进行数值模拟,通过分别对不同攻角、侧滑角飞行状态下的进气道沿程及出口流场进行分析,展现了旋流畸变的产生机理和发展过程。引入旋流评价指标,对旋流畸变进行评定,并与总压畸变评价体系进行对比和分析。研究表明:该S弯进气道出口固有的对涡旋流结构不随攻角变化,但旋流强度随攻角的增大略有减弱;在侧滑状态下,该S弯进气道出口对涡旋流消失,旋流以整体涡出现且强度较大;传统的总压畸变指数无法描述旋流,引入的旋流评价指标能较为准确、直观地评定旋流畸变强度和流场结构。     

尖脊(Caret)进气道地面气动特性试验研究

在地面静止状态下试验研究了尖脊进气道气动特性以及唇口厚度对进气道性能影响 ,给出了进气道各侧壁沿程静压分布及其出口总压分布图谱 ,研究了进气口流动特点及其对出口总压畸变流场的影响。试验表明 ,Caret进气道进口存在一大一小的反向旋转涡 ,该旋涡的作用使得进气道高、低压区均旋转了 90°以上。进口下唇口和外唇口厚度对地面静止状态下的进气道总压恢复系数和总压畸变指数有较大的影响 ,为进气唇口厚度的选择提供了依据。     

涡破碎片控制尖脊进气道总压畸变的试验研究

地面静止状态下，在Caret进气道进口下唇口外侧和外唇口下侧角落处存在一个较强的顺时针旋转大涡，涡破碎片控制该进气道总压畸变，即利用涡破碎片产生的反向旋转旋涡来抵消或减弱该旋涡。研究了涡破碎片分别安装在外唇口下侧和下唇口外侧时，几何尺寸、安装位置、以及安装角对Caret进气道出口流场总压畸变影响趋势。研究表明，安装在外唇口下侧的涡破碎片能改善总压畸变流场并可使Caret进气道在较小流量下使稳态总压畸变值减小17％，而安装在下唇口外侧的涡破碎片对畸变流场影响不大。     

旋转冲压增程弹进气道内流场旋流数计算

为了研究高速旋转对冲压增程弹进气道的影响,对零攻角下旋转弹丸进气道入口与出口旋流数进行了理论推导,得到了旋流数的解析计算式。为了检验理论分析各项假设的合理性,并对旋流数解析式的误差进行分析,使用数值模拟的方法对某双锥进气道的流场进行了计算。分析发现,冲压弹丸进气道前方来流旋流数很小,因此旋转对进气流量影响很小;理论解析式计算所得进气道出口旋流数比数值计算结果偏大,且背压越低偏差越大;普通旋转冲压弹丸进气道出口旋流数低于0.2,由于在此弱旋流进气条件下,固体燃料冲压发动机工作状态与直流进气状态接近,因此弹丸的旋转对冲压发动机工作影响较小。     

冲压发动机超声速进气道流动自激振荡研究

当冲压发动机超声速进气道工作在一定条件下时,会出现自激振荡现象.采用数值模拟方法研究了某超声速进气道结构的自激振荡现象,分析了振荡时进气道内流场的变化过程.研究表明发生自激振荡时进气道中流动产生大幅脉动,造成进气道壁板结构承受周期变化的气动载荷,载荷振荡频谱中包含多个特征频率,其与声模态频率相重合,表明自激振荡现象与声模态的相关性.      

展向截断曲面乘波压缩进气道气动布局

描述了所设计的展向截断曲面乘波压缩进气道.其特点是采用曲面乘波压缩前体,前体进气道压缩面基准流场由等熵压缩波轴对称流场组成,三维乘波面采用密切曲锥方法由前缘线各点流线跟踪拟合构成流面.乘波面根据飞行器和发动机的宽度要求进行了截断.数值计算和风洞试验结果表明:与相同几何收缩比的四波系压缩进气道相比,在马赫数为4.5时,曲面乘波压缩进气道流量系数提高12%,总压恢复系数提高39%;在马赫数为6时,曲面乘波压缩进气道流量系数提高4%,总压恢复系数提高50%.超然冲压发动机性能明显提高.      

船尾形状对旋成体马格努斯效应的影响

尖头旋成体和船尾形状是子弹、炮弹及火箭弹等抛射体上常用的布局形式。研究表明船尾布局具有减小底部阻力、增大射程的作用,但此时旋成体的马格努斯效应增大,对运动稳定性产生不利影响。为了解释这种流动现象,对三维旋转弹流场进行了数值模拟,对从亚声速到超声速下的旋成体马格努斯力和力矩进行了分析,重点对标准形状和船尾形状两种底部进行了比较。结果表明,相对于标准形状,在所有来流下船尾形状都起到了增大马格努斯效应的作用,并且马格努斯力和力矩与船尾角成正比。为了揭示其流动机理,选择代表性计算状态对两种布局马格努斯力矩系数分布、边界层厚度分布和边界层位移厚度分布进行了对比分析,结果表明,在亚跨声速下船尾马格努斯效应由绕拐角的加速流动引起,使当地压力系数幅值增大;在超声速下船尾马格努斯效应由船尾段的气流膨胀引起,使旋成体左右两侧的边界层位移厚度畸变增大。上述两种效应都使马格努斯力矩增加,对于亚声速流动来说,该效应发生在柱段与船尾段连接位置;对于超声速流动来说,该效应发生在连接点以后的船尾段上。当来流速度在声速点附近时,上述两种效应都可能发挥作用,使船尾形状的旋成体马格努斯效应大幅增加。     

冲压发动机线性动力学

70年代在超音速进气道动态建模中提出分段集总参数建立子系统的传递函数,并以串联系统的传递矩阵方法求解进气道结尾正激波位置的频响函数,此法较适用,并得到NASA 48cm进气道的实验验证。管彦深教授扩展了此法的应用。      

定几何混压式轴对称超声速进气道设计及性能计算

给出了定几何混压式轴对称超声速进气道型面设计及性能计算方法,进行了算例计算。对亚临界状态下脱体激波的计算进行了研究,给出了进气道临界状态性能参数随飞行马赫数和高度的改变而变化的曲线。分析了进-发匹配过程,以及进气道的自调节能力。计算得到了基于进气道性能最优,即进气道工作在临界状态条件下,碳氢燃料冲压发动机的供油规律,为进气道大范围寻优设计打下了基础。      

炮弹固冲增程发动机进气道的风洞实验研究

进气道是冲压发动机的重要部件,它的性能关系着炮弹冲压增程发动机性能的好坏。文章阐述衡量炮弹固体燃料冲压增程发动机进气道性能的指标,介绍冲压发动机进气道的分类,着重给出了某炮弹固冲增程发动机混压式双锥进气道在马赫数2．0096时的风洞实验结果,并进行了详细的分析。研究表明,实验马赫数2．0096时,在进气道有效流通面积范围内,随着进气道有效流通面积的减小,总压恢复系数增加;随着弹体迎角的增加,总压恢复系数降低。     

固冲组合发动机进气道设计

简要地介绍了固体火箭-冲压组合发动机进气道设计思想,叙述了后置旁侧进气道突扩的特点,由于气流的拐弯、突扩和掺混,进气道总压恢复系数辐度下降。因此过于讲究进气道本身型面设计是完全没有必要的,而尽可能减小外阻却是极为重要的。 固冲组合发动机多用于加速式地空弹,这就需要增加接力点附近的推力,因此应考虑采用超额定工作进气道,增大流量以提高地空弹加速式冲压型发动机和导弹性能。 文中对后置旁侧气道攻角适用范围以及大攻角进气道性能进行了讨论,因为这是组合发动机用于地空弹和反辐射弹需要解决的突出问题,加大组合发动机攻角范围是当前急需解决的技术关键。     

水下气液两相冲压发动机非设计点性能分析

针对水下气液两相冲压发动机非设计工况下运行特性,建立数学模型并开展数值模拟研究,分别分析了通入气体质量流率、航行速度及环境压力变化对发动机性能的影响等,以期全面了解发动机特性,为其设计工作奠定理论基础。计算分析表明:发动机推力随气体质量流率的增大而增大,推进效率随其增大而减小;当实际航行速度大于设计值时,发动机推力略有增大,推进效率在速度为设计值时具有最大值;发动机推力及推进效率均随环境压力增大而略有减小。通过反馈控制调节气体质量流率,可使发动机输出与阻力相近的推力值,使航行体在工作速度范围内的任意速度值下实现匀速航行。