高超声速二维混压式前体/进气道设计方法研究

以飞行Ma数Ma=6,H=25km为设计点,分别采用等激波角和等激波强度设计方法,并考虑变比热、激波与附面层干扰等因素的影响,分别对唇口平直和唇口带有斜楔的超燃冲压发动机二维混压式前体/进气道进行了初步设计,分析并比较了几种方案进气道的设计点和非设计点性能及二维流场。研究表明,在低飞行Ma数下,唇口带有斜楔的前体/进气道起动性能和总压恢复优于唇口平直的,在高飞行Ma数下,唇口平直的前体/进气道冲压比高、外罩阻力小,而唇口带有斜楔的前体/进气道总压恢复系数高,外罩阻力相对较大。另外,分别采用等激波角和等激波强度方法设计的前体/进气道性能相近。本文提出的方法对于二维混压式高超声速前体/进气道方案的初步筛选具有一定的适用性。      

吸气式飞行器进气道唇口三维激波/激波干扰

对吸气式飞行器进气道唇口处三维曲面激波/弓形激波干扰流场进行数值模拟,利用典型三维气动干扰试验对采用的数值计算方法进行验证。利用拼接网格技术及逆距离加权插值方法获得入口处流场的非守恒变量,作为激波干扰研究的入口边界条件。数值模拟表明,唇口处激波干扰流动的三维效应十分显著,曲面激波与弓形激波产生斜交,尽管唇口前缘半径很小,但Edney提出的6类激波干扰类型可能沿唇口展向方向同时存在；第Ⅲ和Ⅳ类激波/激波干扰的诱导使得唇口热流分布异常严酷；激波相交处形成斜向“伤疤”状局部高热流条带,峰值热流达到参考热流的4~6倍,可能引起唇口结构的局部烧蚀或破坏。      

基于前体激波的内转式进气道一体化设计

在腹部进气的乘波前体/内转式进气道的一体化设计中,为使进气道捕获截面和唇口型线的形状与飞行器前体激波较好匹配,提出一种基于前体激波形状的一体化设计方法。首先,计算乘波前体流场并提取前体激波形状;其次,将进气道捕获型线（ICC）投影在前体激波曲面上,得到可全流量捕获的进气道唇口型线（IFCC）;再次,给定进气道基本流场的中心体轴线位置,确定基本流场的入射激波形状;然后,给定基本流场的沿程压缩规律,应用特征线法确定进气道的基本流场;最后,将ICC顺来流方向投影至进气道入射激波曲面上,经流线追踪和黏性修正得到最终的进气道型面。数值模拟结果表明,对于典型飞行器前体,在设计马赫数为7.0的条件下,应用该方法得到的进气道流量捕获系数达0.976,隔离段出口截面的马赫数、压比和总压恢复系数分别为3.17、38.9和0.487。     

前缘钝度对马赫数6平面压缩进气道流场的影响分析

高超声速飞行要求前缘钝化,钝化前缘将引起流场变化并影响进气道性能,进气道几何参数需要进行修正设计。为了解钝化前缘影响的程度及条件,为修正设计提供依据,采用S-A模型,研究了马赫数6条件下,固定外罩前缘钝度(Rc=2mm),前体前缘钝化(RN=1~6mm)对一种3+1波系平面压缩进气道流场特征和综合性能的影响。结果表明,前体前缘钝化引起外压缩激波偏离唇口、肩部分离区向上游传播,造成分离激波与其他激波形成复杂的相交结构,进而形成严重畸变的唇口弓形激波,在较大钝度(RN≥3mm)时激波干扰生成的滑移层进入内流道核心区,唇口弓形激波的畸变和大范围的滑移层吞入,是造成总压恢复系数严重下降的主要原因;外压缩激波的外移以及分离激波的介入是造成流量捕获急剧下降的主要原因。由此提示,应当通过合理的钝化设计或流场修正设计,使前体前缘钝化的进气道避免外压缩激波偏离唇口太远,并通过流动控制方法严格控制肩部分离区范围,勿使分离激波与其他激波干扰产生的滑移层进入内流道核心区范围,更要避免分离激波与唇口弓形激波在内流道核心区域相交。     

超燃冲压发动机典型部件热防护

通过在电弧加热器上的试验考核,对进气道唇口前缘、注油支杆等发动机典型被动热防护部件的材料选择和热结构设计进行了研究.发展了主动冷却燃烧室热结构计算评估方法,将经过试验验证的热分析程序应用于燃烧室主动冷却结构的材料配置研究.材料C1和C2的进气道唇口前缘经过60s试验后情况良好;材料Z1的注油支杆经历50s试验后情况良好;将主动冷却燃烧室热分析计算程序应用于冷却面板试验,温度测量值与计算值最大相差55K,表明计算与试验符合较好,计算程序可为主动冷却燃烧室结构材料配置的设计研究提供可信的参考数据.研究所获得的经验和技术可应用于全流道超燃冲压发动机的设计与验证.      

多场耦合效应对高超声速进气道入口参数影响

为了研究多场耦合效应对高超声速进气道入口参数的影响,采用自主开发的热环境/热响应耦合计算分析平台FL-CAPTER,对吸气式高超声速进气道前体进行了数值仿真研究。介绍了采用的多物理场耦合分析策略及不同物理场求解方法,通过圆管和两级压缩楔外形,初步验证了多场耦合分析方法的可靠性。以此为基础,研究了进气道前体在长时间巡航飞行条件下的结构温升情况和宏观变形量,分析了进气道结构变形对入口参数的影响。结果表明:进气道前体迎风区域和背风区域不均匀的温度分布引起热应力变化,进气道前体压缩面在多场耦合效应作用下上翘约20mm,考虑变形影响后,进气道偏离设计状态,激波边界层干扰效应增强,喉道附近的分离区域有所增大,进气道入口的质量流量增加约4.2%,喉道平均马赫数降低,静压升高,总压恢复系数降低。     

高超声速二维前体进气道一体化优化设计研究

在飞行器前体进气道的一体化优化设计中,最大总压恢复系数是一个必须考虑的参数.本文从二维高超声速进气道的最大总压恢复系数入手,通过理论分析给出了高超声速飞行器从2波系到6波系的二维高超声速飞行器前体进气道的一体化优化设计计算模型.采用拉格朗日乘子法和序列二次规划法(SQP)分别计算了进气道内一道内激波和两道内激波时的情况,给出了进气道的最大总压恢复系数、进气道内马赫数、激波偏转角和激波强度随来流马赫数的变化关系.比较两种方法的计算结果可知采用的计算方法是合理的.     

超声速下颔式进气道/前机身一体化方案设计

为了改善飞机的作战效能，使飞机能安装大功率的雷达，对某型飞机的进气道改型为包含头锥激波在内有三波系外压缩下颔形式，将下颌式进气道与前机身进行一体化设计，并设计进气道唇口前掠倾斜，解决了雷达与进气道的相互干扰，对进气道的性能参数进行分析计算与原型机进行对比，在性能满足要求的情况下，增加了机头空间，提高了飞机的作战能力，其唇口设计对飞机隐身也有利。     

高超声速飞行器-进气道一体化热流数值计算

采用CFD(计算流体动力学)技术, 开展了飞行器前体/发动机一体化气动热环境分析.对层流区、转捩区和湍流区分别采用计算模型, 在湍流区利用压缩性修正的SSGZ-Jk-ε湍流模型, 在转捩区引入代数型转捩因子模型描述边界层由层流逐渐过渡为完全湍流的流动过程.计算了前体和内通道的表面热流, 并与实验结果进行了对比.结果表明所采用的计算方法可以较好地预测前体及发动机内通道热流率, 流动状态、几何结构及激波入射对热流值影响较大.      

非传统激波封口设计在高超声速进气道中应用可行性研究

在马赫数4,5,6条件下借助轴对称数值模拟对4个高超声速轴对称进气道性能,即传统激波封口进气道、非传统激波封口进气道、改进非传统激波封口进气道和弯曲激波进气道,进行了比较研究。传统激波封口设计要求进气道各道外压缩激波在设计状态一起交于唇口,非传统激波封口设计要求各道外压缩激波分别在不同马赫数下交于唇口。结果表明:与传统激波封口进气道相比,非传统激波封口进气道在非设计状态的流量系数明显更高但在设计状态的总压恢复系数偏低;合理地改进设计能够减少非传统激波封口设计造成的总压损失。     

支板布局对三维侧压式进气道特性的影响

对采用前掠、后掠及混合掠支板布局的三维侧压式超燃发动机进气道（工作马赫数4～6）开展了数值计算，详细比较了不同支板布局的流场波系、边界层发展以及总体性能特征，主要结论有：（1）后掠支板进气道的起动马赫数范围较宽，但附加溢流大，需前移唇口保证流量系数，结果上顶板反射激波加强，总压损失和流场畸变较大；（2）前掠支板进气道能保证较高的流量系数及总压恢复系数，但低马赫数起动困难；（3）混掠支板进气道综合了前掠与后掠布局的优点，能够保证较宽马赫数范围内的工作和较优的进气道性能，但需优化。     

高超声速飞行器进气道等离子体虚拟前沿优化设计

为研究等离子体虚拟前沿在高超声速飞行器前体/发动机一体化设计中的应用,首先设计了二波系前体,然后分析了虚拟前沿对前体流场结构的影响,最后通过比较虚拟前沿结构参数及位置对总压恢复系数、流量系数等参数的改善效果,优化得出了最佳虚拟前沿。结果表明,有虚拟前沿控制前体激波时,总压恢复系数及流量系数都会增大,但压缩比不一定会增大;虚拟前沿的位置对各参数的影响很大,且存在一个最佳位置使得前体性能最好;随着虚拟前沿长度的增大,总压恢复系数和流量系数逐渐增大,压缩比逐渐减小。     

超额定状态下二元超声速进气道的流动特性

为了揭示超额定工作状态下超声速进气道内的复杂流动机理，对一设计马赫数为2.0的二元超声速进气道开展了数值模拟研究，获得了其在不同来流马赫数状态、不同节流状态下的流场结构.结果表明:当进气道工作在额定状态时，随着节流程度的增加，其激波串的核心区由偏向下壁面摆至偏向上壁面；而在超额定状态下，由于依次受到唇罩内侧分离包、唇罩激波等的影响，激波串核心区则由偏向上壁面转而摆至偏向下壁面.在来流马赫数为2.5的节流状态下，其唇罩激波与前体斜激波相交形成了马赫杆等复杂波系结构，而来流马赫数为3.0状态却并未形成此类现象.在上述两种超额定工作状态下，前体斜激波的上透射激波均在高反压条件下演化为正激波形态，而唇罩激波的下透射激波形态也发生了明显的改变.      

三维磁流体强化超燃冲压发动机数值模拟

建立了三维磁流体强化超燃冲压发动机内部黏性流场的求解模型.针对马赫数为6设计了联合应用磁控进气道和磁流体能量旁路的磁流体强化超燃冲压发动机模型.针对该模型进行了数值模拟研究,分析其中的三维流场结构、电参数分布规律以及能量转换特性.结果表明:当飞行马赫数为8时,磁控进气道的应用能够使头部压缩激波回到唇口,使分离区消失,内进气道中的流动恢复到设计状态.磁流体能量旁路可有效降低燃烧室入口处的马赫数,从而改善发动机性能.其中发生器中的流动参数和电参数的分布比较理想,效果显著;而加速器要取得显著的加速效果则需要大量的能量输入.在加速器中,电极附近焦耳耗散严重,导致局部高温以及流动的复杂性,性能不够理想.      

新型曲面压缩的高超侧压式进气道数值仿真

为进一步提高侧压式进气道性能,提出了变侧压角与变后掠角+变侧压角两种新型曲面压缩的侧压式进气道设计方案,利用数值仿真手段对其M6、M4下的流场结构及总体性能开展了研究,并与常规平面压缩的侧压式进气道进行了比较。结果表明,曲面压缩的侧压式进气道性能要明显优于常规平面压缩的进气道;采用变后掠角+变侧压角设计的曲面侧压式进气道具有前掠与后掠两种进气道的优点,能显著提高进气道高低马赫数下的性能。计算发现,马赫6设计点下,变后掠角+变侧压角的曲面侧压式进气道流量系数较常规进气道提高4.1%,总压恢复提高5.3%,二者之和为9.4%;马赫4来流条件下,流量系数提高6.3%,总压恢复提高5.4%,二者之和为11.7%。     

An integration method based on a novel combined flow for aerodynamic configuration of strutjet engine

In this paper a novel design method of aerodynamic configuration is proposed to integrate forebody, strut and inlet for strutjet engine, and a model at design point of Mach number 6 is generated to investigate the aerodynamic performance by both simulations and experiments. The basic flow field employed by proposed method is a combined flow named IBB, which is combined by Internal Conical Flow A (ICFA), truncated Busemann flow I (BI) for external section, and truncated Busemann flow II (BII) for internal section. The model configuration is generated by streamline tracing method from basic flow field, in which the forebody section is traced from ICFA and BI flows, and the inlet as well as strut section is traced from BII flow. The simulations in Mach number 4, 5, and 6 demonstrate uniform starting flow fields with relatively high total pressure recovery, which agree well with experiments in wind tunnel. Additionally, in low Mach number cases, this inlet could start at Mach number 3 while it is unstarted at Mach number 2.7; in high Mach number cases, a uniform flow could still exist in Mach number 6.5 while a relatively strong shock wave boundary layer interaction is found in cowl area of Mach number 7 case, indicating the inlet designed by proposed method works in a relatively wide Mach number range.     

高超声速进气道附面层分离无源被动控制

为了控制超燃冲压发动机进气道唇口反射激波诱导的附面层分离,根据其流动特征,提出了附面层泄除-吹除互相驱动的自适应、无源、被动控制方案。并采用空间HLLE格式、LU-SGS隐式推进、多块结构网格的有限体积法数值模拟程序对该流动现象进行了数值模拟。数值结果表明,施加自适应无源被动控制后,分离区长度减小为无控制时的45%,控制区域的总压恢复系数和流场均匀性提高。从而证实了自适应、无源、被动控制抑制高超声速进气道附面层分离的可行性。