典型工况下旋转爆震发动机进气道流动特性研究

旋转爆震发动机是一种具有较大潜力的新型动力装置,燃烧室存在的高频超高压周向压力脉动直接影响进气道扩张段的流动特征,本文采用三维定常/非定常数值模拟方法针对旋转爆震发动机进气道扩张段复杂非定常流动特性开展研究。研究结果表明：受下游燃烧室旋转爆震波影响,扩张段内存在呈螺旋状向上游传播的运动激波;运动激波向上游传播过程中强度衰减、传播速度下降,激波形态逐步由类正激波向类斜激波演化,运动激波逐步向驻激波演变,运动激波与边界层干扰诱发的回流区逐步向波前扩展,波面坐标系下波前亚声速相对厚度逐渐增大;与定常反压状态相比,旋转爆震工作状态进气道出口静温、总温较高、总压较低。本文研究加深了对旋转爆震发动机进气道流动特性的认识,有助于该类发动机进气道的研制。     

非定常同向激波边界层干扰的实验和数值模拟

运动激波在波前同向气流中传播时与壁面附近力界层发生的相互作用，既不同于定常的激波边界层干扰，也与普通激波管中端壁波与边界层的作用有很大差异。通过实验和数值模拟对这一问题进行研究表明，激波与边界层作用后，波面在壁面附近发生了明显弯曲，且触及壁面；弯曲的激波与壁面进一步作用后发生反射，由于波前气流速度不同，这种反射存在规则反射和马赫反射两种类型；由于激波反射，波后壁面附近形成了一个高压区；激波与边界层     

等离子体气动激励控制超声速边界层分离的实验研究

等离子体气动激励与超声速气流相互作用已成为高速流动控制领域的研究热点。激波与边界层相互作用现象广泛存在于超声速飞行器之中。本文进行了等离子体气动激励控制压缩角区和激波诱导边界层分离的实验,通过流场纹影显示和壁面静压测量,研究等离子体气动激励如何影响激波、激波如何影响边界层特性的科学问题。实验结果表明:施加毫秒量级表面电弧放电能够前移压缩角区的诱导斜激波,使分离区后移,分离区域增加,但激波强度减弱,流场总压增加;施加微秒量级表面电弧放电能够抑制激波诱导边界层分离,使分离区减小,流场总压减小。基于实验结果,认为毫秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为放电过程的焦耳热效应;微秒量级表面电弧放电激励控制超声速气流的主要机理为焦耳热效应和冲击波效应共同作用。     

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。     

连续双扫掠激波/湍流边界层干扰流动特性研究

为了探究连续双扫掠激波/湍流边界层干扰的流动特性,采用仿真方法对一双尖鳍/平板物理模型进行研究。结果表明:双扫掠激波/湍流边界层干扰形成的两个干扰区存在明显的相干现象,虽然第一道扫掠激波/边界层干扰流动仍具有典型的准锥形相似特性,但受其干扰所形成的非均匀流的影响,第二道扫掠激波/边界层干扰却不再具有准锥形相似特性,同时第二个干扰区将影响其上游临近气流的运动甚至影响第一个干扰区的再附线和分离线等结构。两个干扰区形成各自的λ波结构,并且沿着流向两个干扰区内的激波结构相互汇聚,最终合并为单个更强的λ波结构;不仅如此,两个干扰区内还形成了复杂的旋涡结构,包括一级主旋涡和二级主旋涡,这些旋涡向下游运动,最终融合成一个尺度更大的锥形主旋涡。     

爆震波逆向传播抑制特性数值仿真

为了发展爆震工作条件下进气涵道运动激波前传抑制技术,采用非定常数值方法开展了爆震发动机进气涵道流动特性 与高频强扰动抑制技术研究。结果表明：受出口高频强压力扰动影响,涵道内存在逆向传播的运动激波。在运动激波逆向传播过 程中激波强度与压力脉动强度先衰减后增强,运动激波传播速度逐渐减小直至为零。刚性障碍物高度影响运动激波传播特性。 随着障碍物高度增加,压力脉动谷值逐渐降低并向下游移动,同时结尾激波向上游移动,波前马赫数降低,结尾激波强度减弱,使 出口马赫数和总压恢复系数均增大;合理选取刚性障碍物高度可以有效降低压力脉动强度,当障碍物高度为进气涵道出口高度的 0.07倍时,涵道内的总压恢复系数达到了0.884,脉动强度谷值最大下降36.6%,对上游的影响相对较小。     

侧板边界层对正激波/边界层干扰特性影响的数值模拟研究

为了研究外压式进气道处于临界工况时结尾正激波同时与压缩面和侧板上边界层的相互干扰,专门设计了三组具有不同前伸长度侧板的简化构型作为研究对象,利用数值模拟手段评估了侧板边界层厚度对正激波/边界层干扰特性的影响。仿真结果表明,当没有侧板边界层参与干扰时流动呈现较好的准二维特性,但当侧板边界层参与干扰后将形成较强的角区干扰结构,该角区三维干扰结构与对称面上的准二维干扰结构存在此消彼长的关系。此外,波系的空间形态也将由“准二维λ波”结构变为“双λ波+角区压缩波”结构,波系形态的改变则进一步导致壁面回流区分布以及摩擦力线拓扑结构变得更加复杂。     

激波边界层的相互作用对扰动波传播的影响

利用线性稳定性理论和直接数值模拟研究了带有入射斜激波的、来流马赫数Ma=4．5条件下的平板边界层的失稳特性。重点考察了在由于激波边界层相互干扰，平板边界层上形成分离区，又进而产生激波、膨胀波和旋涡等复杂流动现象的流场上游，引入小扰动的TS波后，扰动波传播通过带有这些复杂流动现象的流场时，扰动波的发展变化特点。通过对流场中扰动波（包括基本波和衍生波）演化特征的分析，研究分离和激波等复杂流动现象对平板边界层稳定性的影响特点。数值模拟发现，激波的出现不同于一般的压缩波，在亚声速区与超声速区对扰动波演化的影响是不同的，此外，分离对扰动有稳定作用。     

基于流固耦合的激波/边界层干扰作用下壁板颤振特性

为了解激波/边界层干扰作用下壁板气动弹性及其对流动分离的影响，采用自主开发的双向流固耦合求解器，对不同激波冲击位置下壁板的振动响应和流动特性进行了数值模拟研究。壁板几何非线性运动方程采用有限差分法求解，基于有限体积法求解Navier-Stokes方程组，对流通量采用MUSCL和AUSMPW+格式离散，双向流固耦合采用交错迭代算法。研究结果表明：激波/边界层干扰作用下壁板振动位移先增大后减小，经若干振荡周期后达到稳定颤振状态，呈现二阶振动模态，壁板变形相对于激波冲击位置呈现非对称性，壁板前部分的振幅始终小于壁板后部分；激波冲击位置可显著改变壁板的颤振振幅、频率及分离区长度，当激波冲击位置靠近壁板两端时，壁板振动最终收敛达到静稳定状态；壁板振动响应与流场特征不随激波冲击位置的改变而单调变化，对于激波冲击位置x/a=0.35工况，壁板颤振可有效抑制激波/边界层干扰流动分离。     

进气道内激波/边界层干扰及控制研究进展

进气道作为高速航空航天飞行器的重要气动部件,对飞行器的气动力特性、结构重量、隐身性能等有显著影响。激波/边界层干扰现象是高速进气道内普遍存在的一类流动现象,对进气道的性能有突出的影响。发生于进气道内的激波/边界层干扰现象主要可分为正激波/边界层干扰、斜激波/边界层干扰以及三维激波/边界层干扰几类,由于受到侧壁壁面和进气道内背景波系的影响,这些干扰现象偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的耦合干扰特征,干扰区间内三维特征明显。概述了发生于进气道内的激波/边界层干扰特性及相关研究进展,并对目前进气道内激波/边界层干扰现象的控制方法进行了总结。     

TSTO并联分离激波/边界层干扰流动特性分析

针对两级入轨飞行器的缩比模型，通过试验与数值模拟相结合的方式，在马赫数6条件下开展典型级间距状态的激波/边界层干扰流场研究，详细分析干扰区壁面及空间的流动结构与特性。结果表明：试验中模型壁面边界层在激波入射之前为层流状态，在强激波干扰后迅速转捩为湍流状态，因此试验结果在第一道激波作用结束之前与层流计算结果吻合，而在第一道激波作用结束之后与湍流计算结果一致；激波/边界层干扰呈现复杂的三维流动特征和明显的开放结构，强激波在壁面形成的高压区呈弧状向下游展开，轨道级头部产生的入射激波在级间来回反射，强度依次递减；同时，干扰区内存在展向弯曲的主分离线与再附线、沿流向排列的二次分离线与再附线、流动剪切形成的旋涡结构以及包括鞍点、结点、焦点在内的临界点；层流边界层受到激波作用形成的分离区明显大于湍流边界层，同时开放特征更为显著。     

跨声速涡轮平面叶栅实验与激波控制研究

开展了跨声速涡轮平面叶栅吹风实验,采用纹影技术捕捉静叶尾缘的激波现象并测量了流道中总压和静压分布。基于CFX软件,采用与实验相同的边界条件对实验叶栅进行了数值模拟分析,获得了流场分布、激波损失分布、激波/尾迹和边界层干扰分布等。综合实验与数值模拟结果,分析了叶片表面静压分布特点、叶栅出口周向总压分布特点及叶栅能量损失系数与出口马赫数的关系,发现激波损失在气动损失中占有很大比重。为了削弱激波强度以降低激波损失,通过控制叶型,使压力面负荷向尾缘移动,由此使得叶栅总压恢复系数增大0.003 6,能量损失系数降低0.185 8,总体激波损失减弱。     

准稳定三波结构的研究

对超声速流中准稳定三波结构进行了研究，该结构中主激波以一定的速度D沿超声速流运动，它不但引起相应的反射激波运动而且会使激波后气流中的一系列气动力参数发生变化，包括总压、总焓和熵等。本研究给出了这些量与入射激波强度之间的关系。在一定的速度D的情况下，给出了三波结构的力学相容性条件是可以被破坏的。     

V形前缘对激波入射边界层流动影响的数值模拟与分析

为指导V形溢流唇口下游的进气道内部流动分析，采用数值模拟开展V形尖前缘对二维斜激波入射平板边界层流动的影响研究。以气流偏转角6°的二元楔面为基准激波发生器，设计了展向气流收缩角α(0°~60°, 0°对应二元构型)的V形前缘构型，开展对比研究。结果表明，V形前缘构型使得激波入射位置沿展向不均匀、流动具有明显三维特征，并且干扰区壁面压强上升、分离区尺度明显增大。在α=0°~60°范围内，干扰区流动的不均匀程度、分离区尺度随α增大单调增加。进一步分析表明，V形前缘构型干扰具有中间平直、侧边斜掠的耦合入射特性，体现为对称面壁面压强符合自由干扰理论，侧边斜掠入射区参数符合斜掠干扰的锥形流特征。对比二元与α=45°构型的无粘模拟结果，V形前缘会诱导展向两侧对称的斜掠激波、并在对称面相互干扰产生平直的“桥”激波，这使得激波入射位置沿展向不均匀并偏向下游。其中对称面处平直入射激波压升比(2.49)高于二元构型结果(2.24)，侧边斜掠激波强度与二元构型基本一致。这些因素综合导致V形前缘构型的分离尺度增大。     

管内正激波/湍流边界层干扰的数值模拟

本文采用时均Ｎ－Ｓ方程和Ｂａｌｄｗｉｎ／Ｌｏｍａｘ代数湍流模型计算了典型拉伐尔喷管内正激波与湍流边界层干扰流场。计算与实验结果的比较表明，方法可准确地预测激波结构，激波与边界层干扰区流动特征，激波位置、激波前马赫数和壁面压力分布等。     

流向涡与斜激波相互作用的试验研究和数值模拟

为研究流向涡与斜激波相互作用在超声速燃烧中的应用,进行了由翼产生的流向涡与楔块产生的二维斜激波相互作用的燃烧室冷流试验研究.在不同激波强度下,纹影仪捕捉到了强、中、弱不同的涡/波作用现象.仿真与试验结果符合得较好.试验结果表明:对马赫数为2.3流场,在翼攻角10°时,能产生强流向涡,此工况下,锲角越大,涡/波作用越强.仿真结果表明:马赫数对涡/波作用影响较大,总压影响不明显,总温可影响亚声速回流区的尺寸.      

基于HIFiRE-2 超燃发动机内流道的激波边界层干扰分析

为了研究高超声速流激波边界层干扰特性， 选取HIFiRE-2 （The Hypersonic International Flight Research Experimentation 2）项目的高超声速流道为研究对象，采用k-棕SST 模型在无燃油工况下模拟计算地面试验过程，所得计算结果 与试验结果接近。在此基础上，分析激波边界层干扰过程、流动分离现象及入口马赫数对气动热影响。结果表明：随着入口马赫数增 大，激波角变小，激波强度提高，在尾喷管中激波反射次数减少；随着入口速度增大，边界层分离区范围变小，回流区的位置逐渐向 下游移动；加入气动耗散项后，流场的温度有一定升高，最大温升约为50 K。     

高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟

采用大涡模拟研究了出口堵塞比为50.8%的轴对称进气道流动,重点考察了内外流耦合作用下流动的非定常特性。采用国家数值风洞（NNW）工程仿真软件进行数值模拟,得到的壁面平均压力、瞬时压力分布与试验数据符合良好。分析表明：为匹配出口背压,进气道在喉道区域形成激波串结构,使内流道流场分为上游超声速区、中部激波串区以及下游亚声速区;在激波串区,剧烈的逆压梯度产生了分离激波、激波串、分离区及分离剪切层等复杂结构;伴随着激波串运动和边界层大尺度分离,进气道壁面压力出现宽频脉动特征。脉动压力的时空分布表明：内流道脉动压力以扰动波的形式传播,为此建立的声反馈模型能较好地预测亚声速区的主导频率。相关性分析表明：激波串运动受上下游流动耦合作用,其中,频率为St=0.7的运动主要受上游流动影响,频率为St=0.9的运动主要受下游压力扰动波影响。     

跨声速涡轮叶栅激波损失控制方法

为了降低高负荷跨声速高压涡轮激波损失,发展了针对性的涡轮叶栅激波控制方法。针对吸力侧激波,提出可控膨胀设计概念,结合基于曲率的叶型设计方法,通过调整吸力面曲率分布以控制气流膨胀力度,减小了尾缘激波前马赫数,有效减弱了吸力侧激波强度和叶栅出口压力不均匀程度。针对压力侧激波,发展了消波设计方法,在吸力面的激波作用区域设计一鼓包型线,利用鼓包迎风面压缩波的预增压作用和外凸面膨胀波的消波作用,有效抑制了激波/边界层相互干扰,显著削弱了反射激波强度。可控膨胀设计和消波设计对叶栅尾缘两道激波的控制作用相互独立,可单独采用,当两种方法相结合时,吸力侧激波强度降低了29.66%,叶栅出口压力不均匀程度减小了29.28%,总压损失系数减小了12.11%。      

基于大涡模拟的压缩拐角激波/边界层干扰研究

为了提高对激波/边界层相互干扰的基本理解,采用大涡模拟(LES)对来流马赫数Ma=2.9,转角为24°的压缩拐角激波与湍流边界层相互干扰进行了研究。采用回收/调节方法作为入口湍流生成技术,并在超声速平板湍流边界层上进行了验证。采用涡识别方法和数值纹影图等流动显示方法,研究了干扰区内激波与边界层相互干扰的结构变化特征。通过对比分析湍动能和雷诺正应力在不同流向位置的分布规律,研究表明:经过激波干扰后湍动能主要集中在边界层的外层,并在拐角附近形成一个低湍动能区;雷诺正应力流向分量和法向分量在边界层内的分布呈现为单峰结构,而展向分量呈现为双峰结构。运用间歇因子对分离激波的大尺度流向运动进行研究,发现激波围绕着平均分离点作前后运动,运动的尺度等于进口湍流边界层厚度的72%。证实了拐角下游G?rtler流向涡对的存在,并对其展向分布和空间演化特性进行了详细研究。