非对称来流下隔离段动态压力特性

为了探讨非对称来流下矩形隔离段内动态压力特性,用直联实验方式以及动态压力测量技术进行了试验,并用统计分析方法分析了数据。实验结果表明,入口来流的非对称性对上下壁面压力脉动大小以及传播平均速度有较大影响,而对频率无多大影响。激波串区域内壁面压力脉动向下游传播比向上游传播衰减得快。在隔离段出口超声速条件下,观测到的压力脉动频率主要在70 Hz以下,而在出口亚声速条件时,压力脉动的频率不仅有70Hz以下的部分,而且还有100~200 Hz之间的部分。     

烧蚀后的C-SiC隔离段内流场精细测量试验

为了获得极度粗糙内壁面对激波串流动特性的影响规律,通过基于纳米粒子示踪的平面激光散射技术和高频动态压力测量技术测量了Ma2来流下烧蚀后的C-SiC隔离段中激波串流场结构,获得了激波串初始激波形态、激波后附面层发展形态以及激波串动态特性。结果表明,烧蚀后的C-SiC隔离段中激波串结构与光滑不锈钢隔离段相似。但是极度粗糙的内壁面深刻影响了近壁区流动,附面层增厚效应非常明显。前者激波串内的附面层比后者厚约50%,前者激波分叉点比后者更接近唇口约30%。极度粗糙的内壁面也提高了附面层的分形维数,加剧了拟序结构的破碎程度。烧蚀后的C-SiC隔离段中附面层的分形维数在1.548～1.649,比光滑不锈钢隔离段高6.7%～8.9%。烧蚀后的C-SiC隔离段极度粗糙内壁面对激波串振荡频率几乎没有影响。激波串前传过程中的振荡频率约20Hz。     

边界层抽吸和脉动反压作用下隔离段内流动特性研究

为了解上游边界层抽吸控制和下游周期脉动反压作用下隔离段内流动特性,采用非定常数值模拟和理论分析相结合的方法,对来流Ma=2情况下的隔离段内激波串动态演化特性、激波串形态结构变化以及激波串演化迟滞现象进行了研究。结果表明,在脉动反压和边界层抽吸作用下,激波串在上游抽吸狭缝与下游隔离段出口之间周期振荡,振荡频率与脉动反压一致。在振荡过程中,首道激波串形态在规则反射与马赫反射以及马赫反射与弧形激波(包含正激波)之间相互转换。边界层抽吸将激波串固定在抽吸狭缝位置,有效提高了隔离段抗反压性能,脉动频率越大,可承受的瞬态反压峰值越大。在一个振荡周期内,激波串向上移动速度较向下移动更快,且在上下移动过程中形态变化存在迟滞现象。     

隔离段内正激波串受迫振荡特性研究

为了解隔离段在真实燃烧室反压作用下的工作特性,通过数值方法模拟燃烧室振荡燃烧引起的脉动反压,在来流Mai=2条件下,探讨了脉动反压引起的激波串受迫振荡特性。结果表明,在反压脉动条件下,激波串前缘位置周期振荡,其振荡频率与反压脉动频率一致,振幅与反压脉动频率负相关,反压脉动频率600Hz时,振幅仅为管道长2.97%;就抗反压能力而言,在反压脉动条件下,隔离段能承受比定常状态更大的反压峰值,且脉动频率越大,可承受瞬态反压峰值越大。激波串的受迫振荡包含两种形式:激波串整体位置的前后运动和激波节之间的相对运动。在一定程度内,反压脉动频率较低时(50Hz,100Hz),激波串整体位置的前后运动是主要的受迫振荡形式,激波节之间的相对运动很弱;随反压脉动频率升高(300Hz,600Hz),激波节之间的相对运动加剧,逐渐成为激波串受迫振荡的主要形式。另外,在激波串振荡过程中,激波串往上下游运动经过同一位置时,激波串形态会出现迟滞,这是导致总压恢复系数迟滞的原因。     

隔离段内激波串受稳态和脉动背压影响的数值研究

本文基于非稳态雷诺平均的Navier-Stokes方程,探究在来流 条件下隔离段内激波串在稳态背压、脉动背压与隔离段自激振荡共振状态下的振荡特性。结果表明：隔离段激波串的自激振荡频率受稳态背压大小的影响,激波串在9倍和10倍来流静压的稳态背压条件下会产生频率分别为506Hz和454 Hz的自激振荡,且激波串前缘位置呈周期振荡。 在脉动背压条件下,激波串运动受脉动背压和自激振荡的共同作用,产生多个主导频率;当脉动背压振荡频率与自激振荡频率相近时,激波串运动达到共振状态,主要体现在激波串振幅的增强,振幅大小可以达到管道长度的33.5%,而受到100Hz的低频脉动背压影响时,振幅大小为管道长度的24%;同时共振状态下隔离段内上游的压升较受100Hz低频脉动背压影响的受迫振荡状态更高;出口脉动背压的相位变化对共振状态下激波串运动振幅几乎没有影响,表明激波串的自激振荡可能存在“自适应”特征,能匹配激波串受迫振荡的相位变化。     

上游激波干扰时斜激波串受迫振荡特性实验研究

为了研究斜激波串在与上游激波相互干扰时对下游周期性扰动的响应特征,在来流为马赫数2.7的直管道上游设计了一种等宽度斜楔,在下游中心截面位置安装了旋转的椭圆凸轮,以产生类正弦形式的周期性反压扰动,采用了动态压力测量、高速纹影和粒子图像测速技术等手段进行了试验。结果表明:内置斜楔在管道内产生入射激波、分离激波、膨胀波、再附激波和激波诱导分离等复杂背景流场,在分离区附近形成有顺压梯度和逆压梯度的区域。下游产生的正弦形式的周期性扰动会沿着边界层亚声速混合区域逆流前传,引起壁面压力脉动和斜激波串的周期性振荡运动,振荡频率与反压扰动频率相同。在管道内均匀流场中,斜激波串受迫振荡运动的幅值随着反压扰动频率的增加而逐渐减小。在内置斜楔的管道中,斜激波串受迫振荡运动的幅值大大减小,而且随着反压扰动频率的增加基本保持不变。以文中fs=21Hz为例,斜激波串在上游激波干扰中的受迫振荡幅值仅为在均匀来流中振荡幅值的22%。     

壁温对隔离段激波串振荡的影响

为了探索存在换热条件下超燃冲压发动机隔离段内部的复杂流动机理，采用2阶精度的非定常数值模拟程序研究了壁温对隔离段内部激波串振荡特性的影响。结果表明:压力振荡曲线与激波串前缘位置之间存在紧密关系。此外，随着壁温升高，隔离段壁面压力振荡的频率减小、振幅增加。研究还发现，隔离段压力振荡标准差最大值位于激波串前缘激波及其与上下壁面边界层相互作的位置，而湍动能最大值则分布在分离区后侧剪切层区域内。      

二元高超声速进气道激波振荡特性实验

通过在进气道/隔离段模型出口附近设置固定的堵塞楔块提高反压,并采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,在马赫数5.9的激波风洞中研究了二元高超声速进气道在不同堵塞度下的流动特征。研究结果表明,在较低的堵塞度下,进气道仍然能够保持起动状态,而在较高的堵塞度下,进气道出现激波振荡。上游产生的压缩波/激波在节流段的反射是出现激波振荡的重要原因之一。随着堵塞度的增加,激波振荡的频率有所升高。     

带抽吸二元进气道/隔离段激波串振荡特性

针对抽吸缝作用下激波串非定常振荡的复杂流动问题,采用高速纹影结合壁面动态压力测量的方法,在马赫数6的激波风洞中研究了高马赫数二元进气道/隔离段中激波串的自激振荡特性。隔离段出口不同堵塞度的实验结果表明:在低堵塞度下,隔离段内的分离激波无明显振荡;在中等堵塞度25.3%～32.3%和高堵塞度35.3%～38.2%工况下,隔离段内产生非定常激波串,受到隔离段内预先存在的背景波系以及抽吸缝泄流作用的影响,分别出现大幅度低频振荡和小幅度高频振荡;而当堵塞度超过临界值后,激波串被推出进气道,出现不起动。在大幅度振荡模式中,上壁面大分离区周期性地形成和消失,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝后缘到隔离段出口之间大幅度振荡,其振荡主频约为280Hz～480Hz,并且随着堵塞度升高而降低;在小幅度振荡模式中,上壁面始终存在大分离区,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝附近小幅振荡,其振荡主频约为900Hz～1800Hz。两种振荡模式均给隔离段壁面带来严酷的脉动压力载荷。     

考虑进气道喉道非均匀流场影响的隔离段直连试验

为了研究进气道喉道非均匀流场对隔离段流动特性的影响,设计了能模拟隔离段入射激波和非对称附面层的直连试验装置,并进行了马赫数3.0,3.4和3.8的吹风试验,完成了壁面静压、纹影和NPLS测量,获得了有效的试验数据。结果显示,唇口角对隔离段直连台的起动和耐反压能力影响非常大,随着唇口角度的增加,隔离段的极限反压降低,降低幅度达到22%~32%。与均匀来流相比,激波串很难稳在隔离段入口附近,造成激波串极易被推出隔离段。激波串形态受隔离段入射激波和肩部附近附面层状态的影响较大。NPLS测量系统观察到隔离段内部流场精细结构,如下壁面附面层的转捩现象、激波串的马赫盘、分离和滑移线等。     

反压对隔离段激波串结构的影响

采用不同的无黏通量格式与湍流模型组合对轴对称圆截面隔离段进行了数值计算,选取与试验结果最匹配的组合研究隔离段在反压作用下的流场结构及参数特性.对不同反压下的独立隔离段模型和隔离段燃烧室模型进行了三维模拟,分析了隔离段反压比对其流场结构、出口参数及其中激波串形态的影响.针对该轴对称隔离段提出了其可承受的极限反压.比较了冷态均匀反压与燃烧诱导反压下的隔离段流场.结果表明:无黏通量格式与湍流模型的选择影响着激波串的形态和长度,对于隔离段数值模拟十分关键;隔离段出口参数受反压影响,出口处在激波串区域时,附近截面上静压分布的不均匀性较大,出口处在混合区时压力分布则相对更均匀,激波串发展程度影响隔离段出口压力均匀性;对于该圆截面隔离段及燃烧室,直接给定均匀的平面冷态反压所产生的激波串与燃烧反压下的激波串在结构形态和起始位置上未见明显差异.      

双模态燃烧室隔离段激波串位置的测量及控制

隔离段是双模态超燃冲压发动机隔离进气道和燃烧室相互干扰、实现亚燃-超燃双模态的重要部件.在发动机实际工作过程中,燃烧室反压引起的进气道不起动在飞行器加速爬升阶段是需要极力避免和预防的.针对双模态超燃冲压发动机整机模型和燃烧室模型进行了数值模拟研究,分析了激波串前沿位置与隔离段压力分布的关系,在此基础上介绍了三种通过隔离段壁面压力实时测量和监控隔离段激波串前沿位置的方法,并完成了验证实验.结果表明,所使用的计算方法有效可行;隔离段壁面压力分布能够很好地反应隔离段的激波串前沿位置,通过监控隔离段壁面压力分布,控制隔离段激波串前沿位置,能够有效避免和预防燃烧室反压过高引起的进气道不起动问题.     

带等宽度平直斜楔的非对称来流短隔离段实验

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短隔离段长度,设计了一种带等宽度平直斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口下壁面厚附面层一侧,在Ma=1.98非对称的隔离段进口来流条件下完成吹风实验.实验结果表明,隔离段加等宽度平直斜楔后可在相同的反压下使激波串相对长度从13.87缩短至11.12,比基准隔离段激波串长度缩短了19.8%.同样的隔离段加斜楔后能够承受的最大反压从来流静压的3.55倍上升到3.85倍,提高了8.45%左右.      

中心线偏置隔离段内激波串振荡特性

采用非定常数值方法研究了一种中心线偏置隔离段内的激波串振荡特性,分析了隔离段出口反压及管道扩张比对激波串振荡特性的影响规律.结果表明:出口总压最大值对应激波串前缘最小位移,出口总压最小值对应激波串前缘最大位移.在一定大小反压条件下隔离段内出现激波串的自激振荡,在较高反压条件下激波串稳定在管道内部.在来流马赫数为2.0条件下,中心线偏置隔离段较等直隔离段更易出现激波串自激振荡.在出现激波串自激振荡时,在同一反压条件下,大扩张比（如37%）隔离段流场的振荡主频、幅度和出口平均总压均小于小扩张比隔离段.      

倒置梯形涡流发生器与非对称超声速来流相互作用的短隔离段流动数值研究

为了有效地缩短超燃冲压发动机隔离段长度,在前期研究的等宽度平直斜楔基础上,用数值模拟的方法,研究了一种侧壁面后掠的倒置梯形涡流发生器,涡流发生器放置在隔离段进口厚附面层一侧。研究结果表明:加装倒置梯形涡流发生器后可在进出口压比相同的情况下,将隔离段长度减小40%左右,比等宽度平直斜楔多缩短5%;激波串长度随后掠角呈非线性变化,在一适当的后掠角下,激波串长度最小,它的总压恢复系数与等宽度平直斜楔处于同等水平。     

变截面隔离段流场数值分析

对一种由矩形转变为圆形的变截面隔离段流场进行了数值模拟,并将其与圆形和矩形等截面隔离段内流场进行了对比。在相同来流条件和不同进出口压比条件下,分析了隔离段内激波串区域流动特性、激波串起始位置、激波串长度、出口处流量平均参数以及隔离段出口流场流动均匀性等隔离段性能。结果表明:相对于矩形截面隔离段,变截面隔离段中的分离区域有变短、变宽的趋势。这不仅能够有效降低激波串长度和内阻,而且产生了主流和壁面之间的横向流动。最后,对变截面隔离段中激波串长度与压比之间的关系公式进行了修正。     

不同反压下椭圆形隔离段流场特征与气动性能

在反压条件下,对椭圆形等直隔离段进行了全三维数值仿真研究.结果表明:在对称的几何条件和边界条件以及均匀来流条件下,当来流马赫数较小时,流场与激波串结构基本对称;当来流马赫数较大(大于2)时,流场与激波串结构出现明显不对称现象,并且随着来流马赫数增大,这种不对称现象加剧.椭圆形隔离段抗反压能力随着长短半轴比减小逐渐增强,出口马赫数和温升比基本不受长短半轴比影响.不同来流马赫数下,当隔离段承受最大反压时,出口马赫数变化不大.      

一种缩短隔离段简易措施的实验研究

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短隔离段长度,设计了一种带等宽度平直斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口下壁面厚附面层一侧,在M1.98非对称的隔离段进口来流条件下完成吹风实验。实验结果表明,隔离段加等宽度平直斜楔后可在同样的反压下使激波串相对长度从13.87缩短至11.12,缩短了2.75。同样的隔离段加斜楔后能够承受的最大反压从来流静压的3.55倍上升到3.85倍,提高了8.45%左右。