壁面冷却和抽吸对超声速高超声速三维边界层稳定性的影响

本文采用四阶精度紧密格式研究了壁面冷却和抽吸对超声速高超声速旋转圆锥三维边界层横流不稳定性的影响,最大Ｍ＝７．５。数据结果证明：壁面冷却和抽吸对第一模式有稳定作用,但这一作用比二维边界层显著减弱,抽吸使第二模式增长率减小,冷却使第二模式增长率增大,不稳定频率升高;直到Ｍ＝７．５可以用壁面抽吸使得因为壁面冷却而变得更小稳定的第二模式重新趋于稳定,但Ｍ数越高所面的抽吸量越大。     

圆管内高超声速流的发展和激波形态的实验研究

本文的研究目的是了解沿圆管内发展的高超声速流的结构。实验是在加拿大多伦多大学的高超声速炮风洞内完成的，风洞的自由射流马赫数Ｍ＿∞＝８．３０，总温Ｔ＿（ｔ∞）＝１０００Ｋ，总压Ｐ＿（ｔ∞）＝２６．５ＭＰａ单位雷诺数Ｒ＿ｅ＝３．２×ｌ０￣７。壁面静压以及内流中的若干截面内的皮托压力和静压测量结果揭示，管内产生的激波主要是斜激波形态，而且存在着较强的激波与边界层的相互干扰。实验发现，近管中心线的高超声速流动有不稳定现象；壁面的边界层，基本上是湍流边界层，特别是干扰区的下游；圆管出口的周向内壁面的顶壁面静压对管的攻角异常敏感。本文提供的结果，可以指导高超声速流的计算流体力学的方法和进展。     

尖前缘翼干扰区的壁面压力和热流率分布

本文给出Ｍ＿∞＝７．８和６．７２，Ｒｅ＝３．５×１０￣７／ｍ和５．４×１０￣７／ｍ气流绕迎角为２０°、３０°和３５°尖前缘翼运动时，平板锥型干扰区的壁面压力和热流率分布。结果表明：（１）平板锥型干扰区的特征几何尺度与无粘激波角β＿０和翼迎角α相关，而壁面压力和热流率的峰值与法向马赫数Ｍ＿ｎ相关。（２）翼面压力和热流率分布由于受拐角涡影响，前者在翼根部呈波谷状，而后者呈波峰状，影响尺度与翼前缘处来流边界层厚度有关。     

机身边界层控制研究

对带壁面抽吸的三维可压缩机身边界层控制进行了计算研究。采用了非正交曲线坐标系边界层方程,通过修改矢量流函数关系式,将壁面法向速度转变成为控制方程的一个可调参数,从而消除了边界条件与方程未知参量之间的非线性耦合;所发展的横向分段推进数值技术,可用于计算横流速度在横向多次反号的复杂边界层流动;设计不同的壁面抽吸系数分布,以研究边界层控制对多种边界层特性的影响。结果表明:壁面抽吸对边界层的控制效果是显著的,合理的抽吸分布能有效地减小机身阻力。     

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

钝缘舵高超音速湍流分离特性

给出由半圆柱前缘舵诱导的高超音速湍流分离的实验结果。实验气流Ｍａｃｈ数为７．８,单位长度Ｒｅ数为３．５×１０７ｍ－１。结果表明：钝缘舵诱导的湍流分离极不稳定,分离激波出现大尺度低频振荡,使壁面压力和热流率无量纲标准偏差在主分离线附近达最大值。Ｍａｃｈ数愈高,最大无量纲标准偏差值越大。在前缘区前缘直径是控制分离流场尺度和平均壁面压力、热流率分布的主要参数     

方管内超声速湍流流动及旋涡的测定技术研究

本文在Ｍ∞＝１．５８及湍流边界层厚度δ／Ｄ＝０．１条件下，用实验方法研究了管长Ｌ／Ｄ＝６方管内的三维超声波湍流场及其沿程的发展和反压的影响，讨论了壁面边界层沿流向和展向的主要变化特征；指出管内横截面的三维静压场特点，文中最后探讨了超声速湍流流动的方管内旋涡的测量技术。     

叶片开缝和边界层抽吸耦合控制压气机失速裕度的数值研究

为了进一步优化压气机的整体性能，提出三种叶片开缝和边界层抽吸的耦合流动控制方案。首先，利用数值模拟的方法，研究叶片开缝或边界层抽吸对跨声速轴流压气机流场结构的影响机理。然后，详细研究了边界层抽吸分别与三种不同叶片开缝的耦合流动控制方案对压气机整体性能的影响。研究结果表明，与叶片开缝或边界层抽吸的单独应用相比，三种耦合流动控制方案都使压气机实现了更宽的稳定裕度。全叶片开缝与边界层抽吸的耦合方案稳定裕度改进量为1.27%，中间叶高开缝的耦合方案和上半叶高开缝的耦合方案稳定裕度改进量分别为1.67%和1.35%；在近失速点处，相比较全叶片开缝与边界层抽吸的耦合方案，局部开缝与边界层抽吸的耦合方案应用后，总压损失和效率降低；上半叶高开缝的耦合方案在三种耦合方案中稳定裕度最高，所以叶片开缝和边界层抽吸的耦合方案是可行的。     

小突片强化混合研究

测试了亚声速 （Ｍａ＝ ０．３５） 下小突片 （Ｔａｂｓ） 对轴对称收缩喷管射流的强化混合效果, 并探讨了小突片安装个数、后倾角度、堵塞比等因素对强化混合作用的影响。结果表明, 小突片对喷管射流的混合具有显著的强化作用, 不仅使下游流场发生显著变形, 使核心流的衰减显著加快（核心流长度从５Ｄ 降至大约１．５Ｄ）, 还使引射系数显著增加（本文中最大增加到２．７ 倍）。     

喷管超音段壁面排气引射冷却方案气动特性研究

在常温条件下,对3种轴对称收扩喷管超音段壁面排气引射冷却方案(缝隙式气膜冷却、离散孔式气膜冷却和冲击—气膜组合式冷却)的气动特性进行了试验研究,得到了不同冷却方案的推力系数、壁面压力分布和抽吸特性以及冷却气流量对这些性能的影响。试验结果表明:与常规轴对称收扩喷管相比,采用排气引射冷却的喷管具有更好的推力特性,3种喷管的抽吸特性都优于轴对称基准喷管。      

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

叶片吸力面不同位置处气膜冷却特性对比

在跨声速叶栅通道内，试验研究了叶片吸力面不同位置处的气膜冷却特性，详细地分析吸力面两个位置处的簸箕孔型在主流进口雷诺数为3.7×105、出口马赫数为0.81，0.91，1.01及气膜吹风比为0.6～2.1条件下的气膜冷却效率.结果表明:气膜孔2位于大的叶片曲率位置处，该位置处主流能使得射流更好地贴附在壁面上，但是该影响有利有弊.在小吹风比下，气膜孔射流本身就能很好地贴附壁面，因而主流使得气膜贴壁较好的作用不强，而主流使得气膜展向扩展不易的负面影响却比较明显.在大吹风比下，气膜射流法向分量较大，气膜容易脱离壁面，此时，气膜孔2由于主流作用使得气膜更好地贴附在壁面上，气膜冷却效率有较大提升.      

前缘射流对涡轮导叶吸力面多排气膜孔冷却特性的影响

为了研究前缘射流对吸力面多排气膜孔下游冷却特性的影响,在跨声速风洞中进行了实验并采用热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数的范围为2.0×105 ~ 4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶栅前的湍流度小于5%。前缘布置6排对冲圆柱孔,质量流量比的范围为2.00% ~ 3.71%,吸力面布置4排圆柱孔,质量流量比的范围为2.02% ~ 3.74%。实验结果表明：在没有前缘射流时,吸力面的气膜冷却效率随质量流量比增大先升高后下降,存在前缘射流时,质量流量比对气膜冷却效率的影响较小。对所有的工况而言,质量流量比增大都提高了吸力面的换热系数。相比于没有前缘射流的工况,前缘射流显著提高了吸力面孔排附近区域的气膜冷却效率并略微降低了换热系数;在吸力面后半段,前缘射流显著提高了换热系数而对气膜冷却效率影响较小。总的来说,前缘射流改善了吸力面孔排附近区域的冷却效果,但是恶化了吸力面后半段区域的冷却效果。     

后掠翼模型混合层流控制实验研究

利用前缘吸气和顺压梯度,在对称后掠机翼模型上,实现了混合层流控制。在连续式跨声速风洞中,研究了气流马赫数和雷诺数对转捩位置的影响,研究了前缘吸气流量及流量分配对层流控制效果的影响。实验过程中,利用壁面冷却方法,扩大了层流区和湍流区的壁面温度差,利用埋入式安装的热电偶测量了表面温度分布,确定了转捩位置和层流区范围。结果表明,前缘吸气具有良好的层流控制效果,可以使层流区范围显著扩大。前腔吸气流量对层流控制效果影响很大,后腔吸气流量影响较小。     

平／钝头外形俯仰动态特性对落点姿态的影响分析

采用自由振荡法数值模拟了平头、钝头外形的超声速俯仰振荡时间历程,并应用奇异分解线性最小二乘法辨识稳定性导数,得到动导数随马赫数和攻角非线性变化的规律.平头外形在较高马赫数和中小攻角范围内存在动不稳定现象,随着再入时马赫数的降低,动不稳定的攻角范围不断缩小,直至演化为动稳定的;小钝头外形则没有动不稳定现象.蒙特卡洛弹道仿真表明,平头外形初始时刻俯仰角的扰动会经历一个先增长然后衰减的过程,最终落地时俯仰角小于1°,满足设计要求,但其落地速度有所降低,可能影响该外形对靶标的侵彻效果.     

高湍流度时全气膜涡轮叶片表面冷却和换热特性的实验研究

为获得高主流湍流度时全气膜涡轮叶片表面的冷却和换热特性,在跨声速风洞中实验研究了质量流量比(MFR)和主流雷诺数(Re)对叶片表面气膜冷却效率和换热系数比的影响。在叶片前缘布置了5排圆形孔,在吸力面和压力面分别布置了3排和6排圆形孔,实验结果由嵌入在叶片中截面的热电偶测得。实验中基于弦长的主流雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,叶栅出口马赫数Ma为0.8, MFR的范围是5.5%～12.5%,主流湍流度Tu为14.7%。实验结果表明:主流雷诺数升高显著增强了叶片表面的换热,使层流边界层到湍流边界层的转捩位置提前。对于吸力面S/C0.2的区域(S/C为当地弧长与弦长之比),气膜冷却效率受MFR影响明显,当MFR大于7.7%时提高MFR会导致气膜冷却效率降低;该区域的换热系数比在中低雷诺数时受MFR影响较小,在高雷诺数时随MFR升高而升高。压力面S/C-0.7区域的气膜冷却效率随MFR升高而升高,-0.7S/C-0.4区域的气膜冷却效率受MFR影响较小,对于整个压力面而言,MFR升高提高了叶片表面的换热系数。相对于叶片其它区域,压力面后半段区域和吸力面的气膜冷却效率受雷诺数影响较大。     

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.      

Thermal behavior of an isolator with mode transition inducing back-pressure of a dual-mode scramjet

Combustion mode transition is a valuable and challenging research area in dual-mode scramjet engines. The thermal behavior of an isolator with mode transition inducing back-pressure is investigated by direct-connect dual-mode scramjet experiments and theoretical analysis. Combustion experiments are conducted under the incoming airflow conditions of total temperature 1270 K and Mach 2. A small increment of the fuel equivalence ratio is scheduled to trigger mode transition. Correspondingly, the variation of the coolant flow rate is very small. Based on the mea-sured wall pressures, the heat-transfer model can quantify the thermal state variation of the engine with active cooling. Compared with the combustor, mode transition has a greater effect on the iso-lator thermal behavior, and it significantly changes the isolator heat-flux and wall temperature. To further study the isolator thermal behavior from flight Mach 4 to Mach 7, a theoretical analysis is carried out. Around the critical point of combustion mode transition, sudden changes of the isola-tor flowfield and thermal state are discussed.     

附面层吸除对大转角压气机叶栅气动性能影响的数值研究

数值模拟了低速条件下附面层吸除对某大转角压气机叶栅气动性能的影响。结果表明,叶栅进口马赫数一定时,小吸气量下存在使叶栅总压损失降低最大的最佳吸气位置,大吸气量时吸气位置对损失影响减弱;随吸气量增加,吸力面角区低能流体积聚明显减小,气流折转能力加强,叶栅负荷增加,总压损失降低最高达28.2%;吸气导致的栅内扩压能力恢复和通道涡三维分离效应是确定最佳吸气位置及吸气量的判定原则。      

抽吸对高超声速进气道起动能力的影响

对在不同抽吸开孔率下，某典型高超声速二元进气道二维流场进行了数值模拟，给出了高超声速进气道性能参数随抽吸开孔率的变化规律，研究了抽吸对高超声速进气道起动和再起动能力的影响，发现抽吸可以有效地降低进气道的起动马赫数，改善进气道的流动性能，提高进气道的总压恢复系数，但降低了压比，且开孔率越大，上述变化越明显；同时还发现抽吸能够减小高超声速进气道的迟滞回路曲线，大大降低进气道再起动马赫数，改善进气道再起动过程中的超压、超温问题。