尾部推进无人机双90°偏折进气道/蜗壳耦合流动特性

针对尾部螺旋桨推进式无人机的流道布局特点,兼顾飞行器总体气动、总体结构、雷达隐身等方面的限制因素,设计了1种具有双90°偏折特征的进气道/蜗壳流道构型,并对其在地面抽吸工况下的气动性能和内部流动特征开展了仿真与试验研究。研究表明：蜗壳出口马赫数在0.4～0.6范围内,总压恢复系数均保持在0.97以上,总压畸变小于1.30%,为此流道构型气动性能良好。然而,在进气道/蜗壳耦合流动作用下,出口截面形成了显著的旋流流动,研究范围内平均旋流强度为9.90°～11.35°,旋流角大于15°的面积占比达到了20.4%～30.6%。分析发现,进气道因流道剧烈弯曲而引起的蜗壳非均匀进气条件,是驱动蜗壳内形成强横向二次流与分离涡,进而导致出口强旋流流动的主要原因。     

一种平面埋入式进气道的地面工作特性及流态特征

对一种平面埋入式进气道的地面工作特性进行了实验研究, 结合数值仿真技术, 分析了地面工作状态下该类进气道的流态特征, 并探讨了其出口总压图谱的形成成因.结果表明:(1)虽然进气道出口截面的二次流较弱, 但通道内却存在强的以对涡为特征的旋流, 该对涡因埋入式进气道进口侧棱的存在而产生, 与后唇口前缘的气流分离共同导致了进气道出口截面的大面积低总压区;(2)地面工作状态下, 埋入式进气道的总压恢复系数随出口马赫数的上升而下降, 周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数则随着出口马赫数的增加而增加.在相同的出口马赫数下, 地面工作状态的总压恢复系数高于飞行状态, 各种畸变指数也明显偏高.但当发动机的进口工作马赫数为0.35左右时, 进气道出口截面的综合畸变指数W小于10.0%, 满足常规发动机的稳定工作要求;(3)计算和实验结果对比表明, 所得到的进气道出口总压恢复系数相对误差在1.2%以内, 但畸变指数整体偏大.      

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。     

双下侧布局二元超声速进气道掺混气动特性

针对一种冲压发动机用设计飞行马赫数范围为2.5～3.5的双下侧布局二元超声速进气道掺混气动特性开展了高速风洞实验和一体化数值仿真研究.研究结果表明:(1)在混和段内气流是通过两股气流的撞击以及横截面上二次流形成的旋涡不断掺混的,这也是混和段气流损失的主要原因.采用二元进气道的双下侧布局在整个混和段内气流除了在射流区内不均匀外,在1.5D截面至掺混段出口截面4.5D处慢慢趋向均匀.(2)掺混段出口截面与进气道出口截面总压恢复系数变化规律一致.随着来流马赫数和侧滑角的增大,掺混段出口截面总压恢复系数均是逐渐下降,而随着迎角的增大其总压恢复系数是提高的.(3)导流段损失和混和段损失均随着来流马赫数和侧滑角的增大而增大,整个掺混段损失增大.而随着迎角的增大,由于导流段损失逐渐下降,混和段损失变化不大,所以整个掺混段损失是降低的.(4)随着导流角的增加,进气道的总压恢复系数几乎未受影响,而掺混段的总压损失呈线性提高.研究范围内随着导流角的增大,气流导流段的总压损失几乎不变的,而由于径向速度分量增大,混和段损失增加,同时掺混出口截面承受反压能力降低.     

S弯进气道内旋流的有源涡控研究

 本文给出了来流攻角为30°和40°、进口带分离区的方转圆截面S弯扩压管道内进行抽气形式的有源涡控的气流特性。研究表明,随涡控抽气量增加,旋流明显减小,当抽气量足够大时,整体涡基本被消除;出口平均总压损失下降;总压畸变减小;管道出口流量增大。因此,抽气形式的有源涡控是抑制旋流、减少出口总压平均损失、改善S弯进气道出口流场的有效措施。     

进气道出口截面形式对补燃室掺混性能的影响研究

为研究进气道出口截面形式对补燃室掺混气动特性和燃烧性能的影响，本文对双下侧布局形式的固冲发动机内流场进行数值模拟，对比分析了补燃室相同压比下两种不同进气道出口截面形式在不考虑燃气的混合和反应时掺混段的气动特性和考虑燃气反应时补燃室的燃烧性能。结果表明：两股空气掺混过程中，研究的两种进气道出口截面方案的整体总压损失大致相同，但进气道圆形出口截面的掺混段内流线表现为不稳定的螺旋点形态，相比于方形出口截面的掺混段，其使气流掺混更剧烈，短距离内掺混已经很均匀，且旋流强度小；在考虑燃烧时，进气道圆形出口截面对应的补燃室出口总压恢复系数比方形截面的高约2%，方形进气道出口截面的补燃室出口截面总燃烧效率为95.58%，而圆形截面的达到99.86%。     

带旁通的双S弯进气道设计及性能

针对一种带旁通的双S弯进气道开展了气动设计和性能仿真研究。探索了改变第一S弯长度对进气道的影响,通过流场流动和砂粒轨迹的分析,对初始设计的模型进行修正,然后在修正后的基准模型的基础上,采用数值模拟方法,重点研究了不同扫气比和过渡截面面积比对进气道管道内流动特性和排砂效率的影响。结果表明：第一S弯的长度过小则气动性能好但不利于排砂,过大则气动性能差但排砂效果好。过渡截面面积比在减小的过程中,进气道气动性能略微下降。当形成分离涡后,总压损失迅速增大,但出口总压畸变指数降低。面积比过大或者过小都不利于进气道排砂。随着扫气比增大,排砂性能提高,进气道出口总压恢复基本稳定,畸变增大。     

S弯进气道旋流缩涡实验研究

本文提出的旋流缩涡法采用了一种结构简单的缩涡器, 是一个金属薄片弯成的框架。这个缩涡器框架被安置在进气道喉道前, 通过4个薄片固定在模型上。实验研究表明:该法可缩小由S弯进气道进口分离所造成的单涡旋流作用范围, 并提高出口截面平均总压系数。      

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。     

S弯进气道旋流的转动叶片模拟技术

提出了Ｓ弯进气道中旋流模拟的一个新方法，即叶片模拟技术。通过调节进气道进口附近的可转动叶片，可使管道出口截面上旋流流动大小和方向发生变化，甚至出现反向旋转的固体涡。实验研究表明：利用可调叶片的旋流模拟技术可以较好地模拟发动机进口的有旋流动，为进气道／发动机的性能匹配研究提供一些技术基础。     

一种双斜切双压缩面气道性能的数值模拟

采用LU－SGS隐式推进方法及ROE的通量差分分裂格式，结合带非线性限量因子的MUSCL插值方法编写了雷诺平均的三维N－S方程的数值求解程序，并供助该流场计算程序研究了一种双斜切双压缩面进气道在未经流场控制情况下的流动结构和气动性能（M＝1.9,H=11Km）。计算结果表明：所编制的流场计算程序能够准确快速地求解三维粘性流场，并对流场间断具有较高的分辨率；所研究的进气道即使在未经流场控制的情况下也具有较高的总压恢复系数，这体现了双斜切双压缩面进气道总压恢复系数高的优点，但由于流场中存在分离流动，应采取抽吸附面层等流场控制措施。     

某典型二元高超声速进气道内二次流分析

对某典型二元高超声速进气道三维流场进行了数值分析，将固壁面压力分布的计算结果与试验结果进行了比较，二者吻合较好，表明数值模拟方法正确，结果可信。分析了高超声速进气道流场的波系结构以及进气道(含隔离段)内二次流特征。给出了外压缩波系下的角涡的形成和发展规律，在侧壁与压缩面相交角区形成为逆时针方向角涡，角涡的形成、发展与近壁激波／侧壁附面层干扰以及压缩面有关。分析了隔离段中的激波的反射状况，提出了隔离段二次流的形成和发展规律以及影响因素。在隔离段进口附近存在一分离区。隔离段内二次涡的形成、发展和消失由上下壁面的压差，激波的移动方向(波后气流的横向流动)等决定。研究还表明对于高超声速进气道即使是二元进气道，也要关注二次涡的存在和发展。     

一种平面埋入式进气道气动特性的试验

 针对一种平面埋入式进气道开展了高速吹风试验研究,获得了沿程静压分布、出口总压恢复图谱、基本气动性能和压力脉动特性。结果表明：沿程静压分布曲线显示,气流绕前唇口流动是先膨胀加速后减速扩压,进入内通道后上壁面静压均高于下壁面;巡航状态Ma₀=0.7,α=2°,β=0°时,进气道总压恢复系数σ=0.951,综合畸变指数W=3.55%,具有较高的性能;当Ma₀=0.6~0.8,α₀=-4°~6°,β=0°~4°范围内,σ在0.912~0.964之间,综合畸变指数在2.68%~7.43%之间,表明该平面埋入式进气道能够在较宽广的飞行包线内以较高的性能安全工作;脉动压力分析表明,出口总压脉动频谱均呈现出白噪声特征,无明显窄带信号出现,这对进气道/发动机匹配工作是有利的。     

高超声速双模块内转式进气道的流动特性研究-Part II 攻角影响

为了研究飞行攻角对高超声速双模块内转式进气道流动的影响,本文通过试验和仿真方法,获得了0°,4°和6°攻角条件下进气道模块内的流动结构。结果表明：在本文研究的攻角范围内,进气道均可起动,进气道压缩面侧的压力变化体现了基准流场的流动特性。在耦合作用下进气道模块间压缩面诱导的激波形态沿流向由弓形逐渐发展为钟形,并且在外压缩激波的扫掠影响下进气道的三个角区出现了强度不同的旋涡结构。进气道压缩面侧的角区旋涡随着攻角的增加而逐渐增强,而进气道出口截面上低能流区域随着攻角的增加而逐渐减小。低能流区域内的二次旋涡呈现不同的变化趋势,位于上半截面的旋涡随着攻角的增加其逐渐向上移动,而位于下半截面的旋涡位置基本保持不变。     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

圆形出口内转式进气道流动特征

采用数值仿真的方法研究了内转式进气道的流动特征。研究表明:设计状态在近壁面唇罩激波诱发了二次流,进而发展形成流向涡,造成低能流堆积,隔离段出口流场分布不均,消弱了进气道的抗反压能力。有攻角条件下,口面激波偏离唇罩前缘,激波形态发生改变,激波波面中部展向具有准二维特性,压缩面两侧气流压缩变弱,激波层变薄,出现局部膨胀区;有攻角条件下的无黏流场,在进气道压缩段形成三维流向涡,该流向涡促进高能高速气流向壁面迁移,改善了黏性条件下隔离段出口流场的均匀度。     

用粘性体积力方法计算高速离心压气机叶轮内部流场

高速离心压气机是用途非常广泛的一种动力机械,充分了解其内部复杂的三维流场对设计高压比、高效率离心压气机具有很重大的意义。本文采用一种简化的Navier-Stokes方程的计算方法-粘性体积力方法,计算了Krain叶轮内部流场。使用H型网格离散微分方程,并采用多重网格方法和当地时间步长方法加速计算收敛。粘性应力通过Baldwin-Lomax模型计算。为了证明计算结果的有效性,文中也给出了相应的激光测量结果。      

射流旋涡发生器控制大折转角扩压叶栅二次流

将射流旋涡发生器引入到某折转角为60°的扩压叶栅端壁二次流控制中,研究了射流方向和射流总压对扩压叶栅气动性能及栅内流动的影响.结果表明:当射流旋涡发生器侧向倾角为0°时,仅采用不足扩压叶栅进口流量0.5%的射流流量,即可显著减少栅内损失.射流旋涡有效阻碍和推迟了通道涡发展,在下洗侧将主流流体卷入端壁附面层内,而在上洗侧将低能流体带入主流中,从而减少了角区低能流体聚积,减弱了吸力面的分离流动.当射流进口总压采用与扩压叶栅进口相同的总压时,总压损失减小21.5%,且射流进口总压越大,其控制效果越明显.      

吸水室内部流动的粒子图像测速试验

介绍了粒子图像测速(PIV)系统、泵试验装置和试验方案.利用PIV技术,对5种流量下泵吸水室内部流场进行试验研究,获得了速度矢量分布,计算得到吸水室出口断面特征参数和入口断面上的瞬时体积流量.结果表明,吸水室入口处速度分布较为均匀,出口处速度分布不均匀,且有偏流现象存在;在所研究的范围内,随着流量的增加,出口断面轴向速度分布均匀度提高,速度加权平均偏流角减小;吸水室内的瞬时体积流量存在明显的脉动特征,在较长时间内,呈正态分布,相对脉动幅值在6%之内,其平均值与涡轮流量计所测值相一致.PIV技术可用于瞬时体积流量的测量以及流场非稳态特性的研究.      

格栅对进气道的气动性能和电磁散射特性的影响

给出了在进气道内加装格栅对进气道的气动性能和电磁散射特性的影响。结果表明,格栅明显地降低了S弯进气道出口二次旋流,且使原始单涡旋流消失,出口流场畸变度减小,进气道的雷达散射截面值显著降低,但同时也降低了进气道出口截面上的平均总压恢复系数。还给出了格栅几何尺寸的影响,及设计中如何选择格栅尺寸。