引射器混合室优化技术初步研究

混合室优化设计对超声速引射器引射性能的提高具有非常重要的作用。介绍了常温空气介质情况下引射器混合室不同设计参数试验件的数值模拟和实验研究结果;针对单喷嘴和多喷嘴引射器混合室收缩段长度、平直段长度及平直段截面直径等参数对引射器性能的影响作了对比分析。初步研究表明：多喷嘴引射器引射性能优于单喷嘴引射器,但多喷嘴引射器启动性能低于单喷嘴引射器;在引射器能正常启动的前提下,平直段直径越小,引射器性能更优;收缩段长度主要影响主、被动气流的混合效果,平直段长度主要影响引射器的启动性能,因此对混合室收缩段和平直段长度尺寸的设计需要根据引射器型式（单喷嘴或多喷嘴）合理确定。     

2m×2m超声速风洞引射器气动设计

采用一维气体引射器流动特性方程计算了该等面积混合引射器在不同运行状态下的性能参数,设计增压比为2.1~2.7,引射系数为0.392~0.651,综合结构设计要求确定引射喷嘴数目为24个,径向布置两层,面积比为0.235.引射器1∶13缩比模型的试验结果与计算值具有良好的一致性,5个设计状态下的实测增压比均略高于设计值.2m×2m超声速风洞调试时因整体参数调整导致引射器在某些工作状态偏离了设计点,但增压比与引射系数的对应关系仍与设计结果基本一致,引射器总体性能指标满足风洞试验需求.     

某发动机滑油散热系统改进

针对某型飞机发动机地面出现滑油超温的问题,提出了其滑油散热系统的改进方案.采用试验模拟的方法分别研究了引射系统的混合室横截面积、混合室长度、扩压段及引射器喷嘴形式对引射系统性能的影响.结果表明,采用以较小横截面积增加混合室长度、加装扩压段和采用超声速喷嘴的组合改进方案,可以极大地提高引射系统的引射能力,改进后的滑油散热系统经试验和装机验证能够满足发动机的滑油散热要求.      

基于多级等压混合的引射器参数匹配与优化

匹配和优化多级等压混合引射器的各项参数,得到理想的引射器增压比和引射效率,目的是提高多级等压混合引射器性能。通过数学分析和实验,研究了单级引射器参数变化对性能的影响,明确了多级等压混合引射器级数的确定原则,对影响单级引射器性能的参数在多级中进行了匹配和优化,表明引射马赫数、被引射气体温度、单级引射器引射系数和增压比匹配与优化后,能显著提升多级等压混合引射器性能。     

非轴对称前涵道引射器性能的数值研究

以轴对称前涵道引射器为基础,提出了一种非轴对称前涵道引射器方案。为了比较非轴对称和轴对称前涵道引射器在热混合效率,引射系数和总压恢复方面的不同,采用数值模拟的方法对不同掺混角度和进出口压比的模型进行了计算,并得到引射器的性能参数变化规律。结果表明,在开口面积不变的情况下,增大气流的掺混角度会使前涵道引射器的热混合效率降低,总压恢复系数减小,引射系数也有较大的减小;在亚临界时,随着进出口压比的增大,引射器的热混合效率和总压恢复系数逐渐变大,引射系数则会减小,并且相同条件下,非轴对称前涵道引射器与轴对称前涵道引射器相比,热混合效率提高,总压恢复系数和引射系数分别会减小大约2%和20%。     

多喷嘴超声速引射器启动性能试验

建立了多喷嘴超声速引射器试车台,采用燃气作为一次流驱动工质对多种多喷嘴构型引射器的启动性能进行了试验研究。试验结果表明:相对于环型引射和中心引射,具有较高一次流马赫数的多喷嘴引射在增强混合的同时引入了额外的压力损失,其启动所需要的第二喉道面积更大、最小启动压力更高;引射喷嘴个数越多、管道马赫数越高、引射喷嘴出口马赫数越高,则所需启动压力越高;引射喷嘴出口马赫数越高,所获得的盲腔压力越低;二次流的"助推"作用可以在一定程度上改善引射器的启动性能。     

基于引射器函数法的程序优化设计及验证

针对考虑多因素综合影响的引射器优化问题,基于引射器函数法,深入研究了静压协调函数的数学特性并分析了其数学曲线上的奇异点。在此基础上,通过程序设计和基准推进归纳法得到了多分支工作特性曲线,分析了不同分支下解的特性。另外结合工作特性曲线重点研究了混合室背压、主次流总压比和混合不均匀度对引射性能的影响,提出了静压特性曲面、临界曲线的设计概念。通过试验数据对比分析验证了引射器函数法的可靠性。结论表明:靠近临界曲线工况时引射器设计性能较好;混合不均匀度对引射性能影响重大,不均匀度为1.5时对比理想状态,引射系数最大误差达到32.73％;考虑壁面摩擦设计时需对摩擦因数公式模型进行修正。研究结果为引射器优化设计提供了重要指导。      

两级超声速引射器流动机理研究

超声速引射器在航天发动机、化学激光器等的地面试验所需压力恢复系统中有着重要的应用,采用超-超引射方式是优化压力恢复系统的性能和实现设备小型化的途径之一。为探索适用于超-超引射器的设计准则,对一种两级超声速引射器的超-超引射流动现象开展了研究,试验发现该构型引射器在特定压力匹配范围内即可实现一、二级主流间的超-超引射又可以实现主流对二次流的超-超引射,结合数值仿真对流场结构和参数的分析表明超-超引射的形成机制可归结为压力匹配问题,通过提高来流总压与混合室匹配静压的压比可建立超-超引射;混合室匹配静压由引射气流主导;提高二次流总压或降低主流压力均可提高二次流马赫数,该规律对建立超-超引射、提高引射效率有指导意义。      

引射器喉部面积比对脉冲爆震发动机性能的影响

以氢气和氧气混合物为例,采用数值计算方法,通过对加装收敛扩张型引射器的脉冲爆震发动机性能进行数值模拟,获得了不同引射器喉部面积比对脉冲爆震发动机性能的影响规律。计算结果表明：引射器喉部面积比越小时,冲量增推比越大;而引射2次流率却随面积比的减小而减小。     

六喷管超音速引射器性能的理论分析和实验研究

对某一定尺寸的六喷管超音速引射器进行气动性能的实验研究。结果表明：随着主次流压比Ｐ＊ｐ／Ｐ＊ｓ增加，引射系数及修正引射系数下降；当引射系数增加时，混合管动量修正系数Ｋｍ下降，但主喷管流量系数μ变化不大。对上述工况进行理论计算的结果与实验数据符合良好。     

前可变面积涵道引射器特性的试验与数值模拟

为了研究主、次流的进口总压比及出口背压对前可变面积涵道引射器(FVABI)工作特性的影响与流动掺混机理,采用试验与三维数值模拟方法对不同进口总压比下引射器工作性能及掺混流场随背压变化规律进行了分析。结果表明:标准k -ε模型用于引射器掺混流场的模拟具有较好的准确性;进口总压比越大,引射器总压损失越大;进口总压比不变,随背压增加,引射器总压损失先减小后增加;进口总压比不变,引射器在背压变化过程中存在总压损失最小点;背压减小时,引射器存在临界工况点,且进口总压比越大达到临界工况点的背压越大,可变涵道比的范围变窄;主、次流掺混过程主要集中在沿气流方向上x/l=03~06位置之间,在黏性力作用下动量、质量充分交换,沿流向截面速度径向分布趋于均匀。     

辅助动力舱冷却用排气引射器性能快速评估方法

在飞机辅助动力装置系统研制过程中，只能通过试验和计算流体力学（CFD）仿真方法对排气引射器的引射性能进行评估，且评估效率低、研制成本高，故无法获得任意工况下排气引射器的引射性能。本文提出用速度系数比β参数来描述排气引射器的引射性能，并建立了辅助动力舱冷却用排气引射器性能快速评估方法，通过CFD仿真分析对该方法的合理性和准确性进行了验证，验证结果表明，该方法可以快速、准确地评估各种地面工况下排气引射器的主流出口静压和总压、次流流量、次流出口总压等参数，且计算精度保持在2.382%以内，满足工程使用要求，大大提高了评估效率，具有较高工程应用价值。     

超声速自引射装置的工作过程研究

应用湍流κ-ε双方程模型,分析了液体火箭发动机自引射工作过程所用的超声速自引射装置(简称引射器,包括圆柱型和二次喉道型引射器)在相同二次流入口面积时的流场分布,依据流场分析值确定了激波在引射器内的位置,结果表明喷管内的气流达到满流状态,并根据有关参数计算了引射系数.对比引射器真空舱内压力仿真值和试车测量值,两者基本一致.      

零二次流引射器启动性能数值研究

为研究零二次流引射器结构参数如何影响其启动性能,采用数值方法模拟求解了引射器流场,并分析了引射器从启动到不启动的典型工作状态。结果表明:扩压器入口面积与引射喷管喉部面积之比Ad/At和第二喉道收缩比Ast/Ad是影响引射器性能的首要因素,其次是第二喉道长径比Lst/Dst和第二喉道入口的位置Ld/Dd。Ad/At越大,扩压器入口斜激波越强,总压损失越大,临界启动压比越大,越难以启动;Ast/Ad越小(大于其临界收缩比)则临界启动压比越小,越易于启动。     

第二喉道超声速引射器启动性能理论研究

为了给带第二喉道的超声速引射器的工程设计提供设计依据,提出了一套快速分析其启动性能的方法.该方法采用特征线方法分析一次流喷嘴出口流场,结合Korst再压缩判据确定引射器盲腔压力,采用一维控制体方法计算第二喉道引射器的下游流场.采用该方法可以较好地估计第二喉道极限面积比、最小启动压比以及对应的盲腔压力.研究了一次流物性参数比热比和3个几何参数对引射器启动性能的影响.结果表明:该启动性能分析方法具有较好的一致性;较低的盲腔压力对应较高的最小启动压比.      

流动参数对发动机冷却用引射器性能的影响

为了探索引射器在航空发动机空气系统中的应用可行性,采用标准k -ω模型并求解雷诺平均Navier-Stokes方程组的数值方法,分析了流动参数对发动机冷却用引射器引射系数、压力损失系数及引射性能综合参数的影响。结果表明:膨胀比由9增大至10.1,引射系数增大了66%;膨胀比由15.2增大至20.2,引射系数降低了19%;压力损失均不断增大。临界压缩比随着膨胀比的增大而增大;压缩比小于临界压缩比时,低膨胀比较高膨胀比的引射系数大约75%、压力损失小约1%,综合引射性能好;压缩比大于临界压缩比时,高膨胀比的压力损失系数降幅更小,综合引射性能恶化幅度更大。温比由1增大至3,低膨胀比下引射性能综合参数增大了16%,高膨胀比下引射性能综合参数先减小了1%再增大了8%。     

RBCC引射火箭模态二次燃烧实验

为了提高RBCC引射火箭模态的推力性能,探索热力壅塞对引射模态推力的影响,开展了二次燃烧实验研究。引射火箭采用二元支板结构,燃气发生器采用多个喷管以加强混合,二次燃料喷嘴为小流量直流自击式喷嘴。通过实验,获得了燃料的质量流率、燃料喷射位置和物理喉道面积对推力的影响。结果表明:合适的燃料流量和喷射位置可以在静态条件下产生推力增强。     

基于旋翼下洗流场的直升机动力舱通风冷却系统仿真

本文对直升机悬停状态下下洗流场影响区域、动力舱以及发动机排气引射器进行了联合建模,采用结构化网格对计算域进行离散,采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程,通过数值仿真考察不同湍流模型、发动机散热、以及动力舱进口尺寸对排气引射器引射系数以及动力舱通风冷却系统内部流场的影响。结果表明,引射系数对湍流模型依赖性较小;发动机散热将导致引射气流量、引射系数减小,而且随着冷却气流进口面积的增大,这种影响将增大;增大冷却气流进口尺寸,冷却气流量增大,引射系数增大,但进口尺寸增大到一定值后,其效果已不明显。     

变循环发动机前涵道引射器简化模型实验与仿真研究

以典型前涵道引射器基本构型与气动参数为基础,开展了前涵道引射器简化模型实验研究。通过实验与仿真相结合的方法,研究了变循环发动机在单、双涵道模式下前涵道引射器的气动性能以及不同核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage,CDFS）旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响,得到了流量比、压比对前涵道引射器气动性能的影响规律。结果表明,在单涵道模式下,仿真得到的沿程截面的总压分布与实验结果非常吻合,CDFS旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响可以忽略,而出口总压恢复系数随CDFS旁路喉道马赫数增加而降低。在双涵道模式下,SST k-ω模型能够较好地模拟气流的掺混过程,但在出口总压分布上,实验结果更加均匀;CDFS旁路出口角度对两股气流的掺混影响较小;压比一定时,出口总压恢复系数随出口背压的增加先增加后降低;压比为1.35时,流量比变化1.1,总压恢复系数的变化量约为2.6%,压比为1.19时,流量比变化1.2,总压恢复系数的变化量约为0.46%。     

带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响

针对波瓣混合器进行了一系列的数值计算和模型实验研究,揭示了带拐弯混合管对波瓣混合器性能的影响.实验结果表明:混合管长径比小于2时,带拐弯混合管会造成高温气流在出口截面呈月牙形分布,月牙形包围着一个回流区,该回流现象对引射性能不利,计算结果则验证了该气流分布,认为带拐弯混合管降低了波瓣混合器的引射效率,为改善其引射性能,应该加长混合管使得混合管的长径比大于等于2.计算结果还发现了波瓣混合器的最佳长径比为2,且该值不随面积比变化,和最佳长径比为6的圆管混合器相比,波瓣混合器可以有效缩短混合管的长度.另外,进一步给出了引射比与长径比的拟合关系式.