高超飞行器内流道激波振荡问题的数值研究及试验验证

采用数值模拟和风洞试验的方法,对吸气式高超声速飞行器盲腔状态的流动特性进行了研究。采用＂双时间步＂方法进行了内外流一体化的非定常数值模拟,利用彩色纹影系统对高超声速飞行器前体流场进行显示,并采用动态压力传感器测得了飞行器内流道的壁面压力随时间的变化。结果表明：盲腔构型在高超声速飞行中会出现周期性的激波振荡现象。数值模拟所得流场变化特征、内流道壁面压力振荡周期和壁面压力变化趋势与试验结果吻合良好。     

带凹腔钝头体第IV类激波干扰特性研究

采用激波风洞实验与数值模拟相结合的方法,对高超声速带凹腔钝头体的第IV类激波干扰非定常振荡特性进行了考察和分析。结果表明,随着入射激波与弓形激波相对位置的不同,第IV类激波干扰既可能出现稳定的波系干扰结构,也可能出现较为剧烈的非定常振荡现象。在实验条件下,观察到了高频前后振荡和低频上下振荡两种不同的振荡模式。数值模拟结果与实验吻合较好,超声速射流与凹腔的耦合作用在振荡过程中起到了关键作用。     

迎角动态变化对二元高超声速进气道气动特性的影响

针对高超声速飞行器受到扰动后迎角可能会发生瞬时大幅度改变或振荡的问题,对来流马赫数为4.03、迎角动态变化的二元高超声速进气道流场进行了非定常数值模拟,分别在进气道等速上仰和按正弦波振荡条件下研究了迎角动态变化对进气道气动特性的影响。计算结果表明:迎角动态变化时,进气道流场特征和性能参数的变化规律和稳态时情况基本保持一致,但是存在明显的迟滞现象;二元高超声速进气道动态上仰的迎角速率越大,进气道发生不起动时的迎角值越大;在进气道下壁面附近的低速区,非定常效应的影响显著,受进气道固壁面运动的影响,低速区的产生、发展及消失影响进气道气动特性。     

俯仰振荡引起的二元高超声速进气道不起动/再起动特性

针对高超声速飞行器受到扰动后俯仰姿态可能会瞬时大幅度改变或振荡的问题,为了分析其对进气道起动/不起动特性的影响,在Ma=4.03条件下对二元高超声速进气道俯仰振荡的流场进行了非定常数值模拟研究。研究结果表明:大幅度俯仰振荡的二元高超声速进气道会出现不起动和再起动现象,进入不起动/再起动状态时的流场特征和性能参数均发生剧烈变化;不同折合频率俯仰动态变化时,进气道的性能参数及流场特征存在明显差异,气动性能存在迟滞现象;折合频率越大,进气道发生不起动时的攻角值越大,再起动时的攻角值越小;折合频率增加到一定程度时,进气道可能出现全程起动或不起动现象,初始攻角将是决定进气道处于全程起动或不起动状态的关键因素。     

壁温对高超声速飞行器阻力的影响

为了研究壁温对高超声速飞行器阻力的影响,在常规高超声速风洞和脉冲燃烧加热风洞中开展试验研究,结合数值仿真,分析了试验中的流动机理及试验结果差异产生的本质原因。提出了典型高超声速飞行器阻力预测准则。对飞行条件下的飞行器阻力进行预测,验证了预测准则的正确性。研究表明:壁温与来流静温比是造成不同风洞试验阻力差异的主要原因,对发动机内流道的压差阻力和摩擦阻力均有显著影响。在高超声速飞行器阻力预测时,要同时模拟马赫数、雷诺数、壁温与来流静温比3个相似参数。     

通气模型高超声速风洞铰链力矩试验技术研究

针对通气飞行器内外流一体化气动布局的特点,在通气模型高超声速风洞铰链力矩试验中,通过对模型进行适当改型,在保证内流道不发生壅塞、模型外部流场结构不发生改变的前提下,实现了高超声速通气模拟和模型尾支撑;通过合理设计试验装置布局、采取防隔热措施等,解决了通气模型高超声速风洞试验中内流道气动加热和舵面缝隙窜流等导致天平产生严重温度效应,舵面气动力难以精确测量的难题。在某高超声速风洞上开展的铰链力矩试验结果表明,所采用的试验技术能够实现通气模型高超声速舵面气动力特性的精确测量。     

一种并联两级入轨飞行器纵向分离方案的数值研究

两级入轨（TSTO）飞行器或将成为下一代天地运输往返系统，其具有低成本、高效率和多用途等优点，但是两级分离成功与否将直接决定入轨任务的成败。目前的并联式TSTO飞行器多采用横向级间分离，该方法会在两级间产生复杂强气动干扰而直接增加了分离风险，所以探索一种可以避免或减弱两级强气动干扰的新分离方式是十分必要的。提出并着重分析了一种并联式TSTO纵向级间分离（LSS）方案，即轨道级在助推级背面沿着飞行方向分离，对其进行了动态分离过程的数值研究。针对新分离方案，设计了一种由宽速域乘波体和可重复使用空天飞机分别作为助推级和轨道级的TSTO组合飞行器，在高超声速条件下，采用重叠动网格技术分析了不同来流攻角（AOA）下的纵向分离流动机理、非定常壁面压力分布及气动特性变化规律。结果表明：TSTO纵向分离过程中仅存在VI型激波干扰和激波汇聚等简单的弱干扰类型，两级间无明显的激波反射或激波边界层干扰；非定常压力分布特性表明助推级前缘激波是轨道级受力变化的主要影响因素；纵向分离过程中，助推级受到的气动干扰力载荷小于轨道级。此外，不同来流攻角下，两级气动干扰流场结构具有相似性，并给出了实现安全纵向分离的攻角条...     

低于自起动马赫数时高超进气道的非定常流动特性

采用非定常数值仿真的方法研究了低于自起动马赫数时高超声速进气道的非定常流动特性.研究表明:低于进气道自起动马赫数时,进气道处于不起动状态,流场发生喉道壅塞性振荡现象,其流场振荡频率为250Hz.流场振荡主要发生在喉道之前,对其后流场影响相对较小,扰动信号由喉道以当地气流速度向下游传播.隔离段长度对喉道壅塞性流场振荡几乎没有影响.飞行马赫数较小时流场未出现振荡现象,当飞行马赫数靠近自起动马赫数时流场出现周期性振荡现象,并且随着飞行马赫数的增大,此类流场振荡趋于强烈;进气道压差阻力随着时间推进呈现周期性变化,振荡频率同样为250Hz.      

下游压力扰动下的激波串迟滞现象研究

正由于空气黏性等因素的影响,在诸如高超声速飞行器隔离段~([1])、超声速风洞扩压段~([2])等超声速内流场中,常常存在着斜激波串结构。此类结构中,伴随着复杂的激波和附面层之间的干扰作用,同时对于上游和下游的压力变化十分敏感。在工程上,斜激波串的振荡现象会在壁面产生     

高超声速进气道内激波－边界层干扰研究

为了研究高超声速进气道内激波干扰和流场结构，对一个二维进气道模型在中国空气动力研究与发展中心超高速所风洞流场中进行了实验（Ｍ＿∞＝５．０，Ｒｅ＿∞＝７．５×１０￣６ｍ￣（－１））。采用纹影方法，结合压力测量对进气道内流结构进行诊断，同时用Ｙｅｅ的ＴＶＤ有限差分格式通过求解二维Ｎ─Ｓ方程对相应实验状态下的进气道内流场进行了数值模拟。风洞实验与数值模拟取得了较好的一致。进一步的分析还表明高超声速进气道内的激波─边界层干扰对进气道性能有很大的影响。     

Criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification

Hypersonic airbreathing propulsion is one of the top techniques for future aerospace flight, but there are still no practical engines after seventy years' development. Two critical issues are identified to be the barriers for the ramjet-based engine that has been taken as the most potential concept of the hypersonic propulsion for decades. One issue is the upstream-traveling shock wave that develops from spontaneous waves resulting from continuous heat releases in combustors and can induce unsteady combustion that may lead to engine surging during scramjet engine operation. The other is the scramjet combustion mode that cannot satisfy thrust needs of hypersonic vehicles since its thermos-efficiency decreases as the flight Mach number increases. The two criteria are proposed for the ramjet-based hypersonic propulsion to identify combustion modes and avoid thermal choking. A standing oblique detonation ramjet (Sodramjet) engine concept is proposed based on the criteria by replacing diffusive combustion with an oblique detonation that is a unique pressure-gain phenomenon in nature. The Sodramjet engine model is developed with several flow control techniques, and tested successfully with the hypersonic flight-duplicated shock tunnel. The experimental data show that the Sodramjet engine model works steadily, and an oblique detonation can be made stationary in the engine combustor and is controllable. This research demonstrates the Sodramjet engine is a promising concept and can be operated stably with high thermal efficiency at hypersonic flow conditions.     

高超声速飞行器内流道流态及其对全机气动力影响的实验研究

对吸气式高超声速飞行器而言,内流道的流态对推进系统乃至飞行器的工作特性有重要影响.本文用风洞实验的方法研究了升力体(类X-43)、二元进气道和轴对称进气道三种构型在不同来流、内部几何和燃烧室反压条件下的内流道工作情况,着重分析了起动/不起动状态对内流道流动特征及全机气动力的影响,提出并发展了通过在燃烧室内喷射高压气流的内流道反压模拟技术,并运用这一技术成功实现了内流道由起动向不起动、由不起动向起动/再起动的切换.     

推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究

对于采用吸气式超燃冲压发动机的高超声速飞行器,其发动机推力可能与机身弹性发生耦合影响,从而引起所谓的推力耦合气动伺服弹性(ASE)问题。为对其耦合原理及影响进行研究,以简化的飞行器纵向模型为对象,考虑结构弹性、非定常气动力、冲压发动机以及控制系统之间的相互耦合作用,建立了推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性问题的一般建模框架和分析流程。采用牛顿冲击理论计算高超声速非定常气动力,基于准一维流动假设分析发动机性能。算例结果表明,考虑发动机推力的耦合影响后,飞行器的短周期特性和气动伺服弹性特性均有明显改变,气动伺服弹性稳定裕度下降可达16%,应当引起飞行控制系统设计部门的重视。     

超燃冲压发动机唇口气动热计算研究与分析

采用数值模拟方法,对超燃冲压发动机进气道唇口的气动热进行了计算和分析.依据唇口与前体激波所处相对位置的不同,分三种情形进行了计算研究.结果表明,三种情形下,进气道前缘驻点热流均大于头部.通过算例验证,证明该方法和结论的正确性.研究表明,激波干扰以及前体激波压缩后超声速来流使唇口热流增大,热防护和结构设计时应当予以充分考虑.      

高超声速飞行器后体喷管三维构型设计

为研究高超声速飞行器后体喷管三维构型的设计,以NASA半壁喷管试验为参考,进行了二维及三维内外流相互作用的数值模拟计算,分析了后体喷管三维流场的特点.从高超声速飞行器机身推进一体化的角度,构建了后体喷管三维构型,进行了不同构型设计对后体喷管性能影响的参数研究.结果表明:后体喷管的三维效应不可忽视,后体喷管侧壁的存在及下壁面长度对性能影响较大.      

空天飞机最优轨迹／推进性能研究

基于Ｓａｎｇｅｒ的气动外形，推进系统模型，质量模型等，采用飞行力学，最优控制理论及其数值计算等方法，研究了二级入轨水平起飞载机最小起飞质量的上升轨迹，得到了给定任务需求条件下吸气式组合发动机总体性能要求。合理分析了载机最优上升轨迹，任务需求对吸气式组合发动机总体性能的要求。得到了一些明确而重要的结论。     

“Ⅳ型”激波干扰中流-热-固耦合问题一体化计算分析

针对高超声速进气道前缘"Ⅳ型"激波干扰产生的气动加热与结构传热多物理场耦合计算问题，发展了一种基于有限体积法的流-热-固一体化计算方法。该方法采用一体化控制方程组统一离散求解外部高速流场与内部结构温度场，规避了传统分区耦合算法在时间域内交替迭代的繁琐数据交换策略。另外，提出一种新的双温阻模型计算流-固交界面的物性参数以保证计算准确性，采用LU-SGS隐式时间迭代和自适应时间步长以提高计算效率。采用经典高超声速二维圆管流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证，计算结果与试验值和参考文献数据吻合较好，证明了该方法的可靠性和正确性。利用一体化方法对高超声速前缘"Ⅳ型"激波干扰流-热-固耦合问题进行定常/非定常计算与分析，给出了温度与热流的时变特性，计算结果表明，激波干扰作用产生的超声速"喷流"不断冲击壁面，使得壁面最大压力系数增大约9倍，壁面最大热流增大约4.7倍，给高速飞行器的热防护设计与选材带来严峻挑战。同时，也表明了一体化计算方法可以较好地用于长航时飞行条件下与复杂飞行环境下的高超声速热防护系统的热环境特性分析与综合性能评估。     

高超声速弹性飞行器前体压缩性能分析

针对全尺寸的吸气式高超声速飞行器的低阶弹性弯曲模态极易被控制和扰动输入激发的特点,提出了一种基于准定常激波膨胀波理论进行前体处于振动条件下的气流参数计算方法,然后用该方法分析了一个具有二维可调进气道的全尺寸吸气式高超声速飞行器机体弹性弯曲振动对前体压缩性能的影响.分析表明:对于实际飞行中可能发生的小振幅的低频弯曲振动,...     

基于LES方法的平板非定常激波/湍流边界层干扰研究

以高超声速发动机进气道湍流分离控制为应用背景,采用大涡模拟(LES)方法进行马赫数为3.0(唇口附近马赫数约为3.0)的激波/湍流边界层干扰(SWTBLI)流场机理研究.利用扰动循环引入的方法,先得到充分发展湍流场,然后根据斜激波关系式引入激波的方法进行激波/湍流干扰模拟.研究结果显示:充分发展湍流场在激波作用下产生逆...