基于弯曲激波压缩系统的高超声速进气道反设计研究进展

总结了近十年来弯曲激波压缩研究的主要成果。提出了弯曲激波压缩系统的新概念,即利用特殊设计的楔形弯曲压缩面或空间弯曲压缩面,产生一系列与前缘弱激波相互交汇或叠加的压缩波系,从而使前缘激波弯曲,形成特殊的弯曲激波,它与波后的等熵压缩波来共同完成对气流的压缩。在此基础上,实现了由给定出口气动参数的超声速内流道反设计,实现了由给定压缩面压力分布和给定压缩面马赫数分布要求的型面反设计,实现了由给定激波波面的压缩型面反设计。研究证明,弯曲压缩面-弯曲激波压缩系统具有良好的综合气动性能,为高性能高超声速进气系统的气动设计提供了一种全新的设计方法。     

高超二元曲面压缩进气道前缘激波特性分析

不同的二元进气道前缘激波压缩方式直接影响进气道性能参数,尤其是流量系数。详细分析研究了两种类型的高超二元曲面压缩进气道前缘激波随攻角和来流马赫数变化的特性。计算结果显示,对于初始楔加等熵压缩的二元曲面进气道,在给定的初始楔角下,随着进气道攻角的增大前缘激波与压缩面之间的夹角先减小后增大,随着来流马赫数的增大,前缘激波与压缩面之间的夹角减小;而对于等压力梯度分布控制的弯曲激波压缩二元曲面进气道,随着进气道攻角或来流马赫数的增加,前缘激波与压缩面间的夹角都增大。通过理论和计算分析表明,是斜激波与马赫波不同的相交模式造成了两种曲面压缩进气道的前缘激波随进气道攻角和来流马赫数变化的特性不同。      

高超声速进气道曲面压缩技术综述

高超声速曲面压缩系统能够同时利用弯曲激波和等熵波压缩来流,具有良好的综合性能,本文简要回顾了相关研究取得的成果,分析了这种新型压缩方式的流动特征,总结了基于曲面压缩概念提出的多种流场设计方法,重点介绍了其中根据出口截面或壁面上气动参数实现的流场反设计以及在高超声速进气道设计中的应用研究,同时指出了三维流场的反设计、粘性条件下的反设计等有待深入研究的问题。     

两种前体压缩方式对斜爆震燃烧影响的数值研究

为推动工程应用,探究斜爆震发动机前体压缩程度对斜爆震燃烧的影响,本文建立了两道等强激波和斜激波-等熵两种前体压缩简化模型,通过数值模拟对比了飞行马赫数8~10条件下,两种压缩方式对斜爆震波结构以及斜爆震波总压损失的影响。结果表明,前体压缩方式的差异会引起斜爆震波起爆区结构以及起爆位置的变化,且随着飞行马赫数降低,压缩方式对起爆区结构影响减小,对起爆位置影响增大。两道等强激波的前体压缩方式对应的斜爆震燃烧过程总压损失更小,同时可减小点火起爆距离,有利于缩短燃烧室长度。但综合考虑进气压缩与燃烧过程,斜激波-等熵的前体压缩方式对应燃烧室出口气流总压更大。斜爆震发动机的设计需要综合考虑前体压缩与斜爆震燃烧损失以实现发动机总体性能最优。     

高超声速二元弯曲激波压缩流场性能分析

为了探索弯曲激波压缩流场性能所能达到的范围,分别在无粘和粘性条件下,通过多目标优化设计和抽样计算获取了高性能弯曲激波压缩方案,并与传统的压缩方式进行了对比。研究结果表明:(1)无粘条件下流场多目标优化Pareto最优解集中存在长度、压缩效率、低马赫数流量系数等性能参数均优于等激波强度三楔压缩的方案;(2)粘性条件下压比均为8.29(1±0.5%)时,弯曲激波压缩流场与等熵压缩流场相比,长度缩短了35%;与等激波强度三楔压缩流场相比,长度缩短了8%,总压恢复系数大小相当,来流马赫数4时流量系数高6%;与斜楔-等熵压缩相比,总压恢复系数仅相差1.1%,而来流马赫数4时流量系数提高了6%;其出口截面附面层厚度、附面层形状因子均低于其他压缩方式。     

旋转冲压压缩转子试验系统变工况数值研究

采用FLUENT软件对旋转冲压压缩转子试验系统通流部分进行了不同出口反压和转速下的数值模拟.结果表明:旋转冲压压缩转子特性线较为陡峭,其稳定工作范围小,相对流量宽度由26.57%降到1.96%.反压大或转速低时,导叶受旋转冲压压缩转子低压区影响减弱,反压和转速对导叶段气流损失影响不大.旋转冲压压缩转子在反压增加时,其内部气流相继经历斜激波、λ激波/激波串、λ激波/正激波、λ激波4个压缩阶段.转速增加时,压缩面区域形成的激波在机匣壁面的入射点逐渐向下游发展,旋转冲压压缩转子压比增大的同时损失增加.出口支板段随反压增加存在最小损失工况,转速增加时,其总压恢复系数由0.944逐渐降低到0.875,气流损失增加.      

后掠压缩斜板进气道进口流场数值研究

对一种后掠压缩斜板进气道(Caret进气道)的进口激波结构、进口流动对管道后部流场的影响进行了数值分析,对进口倒圆修形的影响、激波覆盖面也进行了讨论。数值模拟采用N-S方程和标准k-ε模型加壁面函数方法。计算结果表明:超音速情况下,由于进口存在较强的正激波,进口斜激波强度的不均匀性,对管道内部流动看不出有明显的不利影响;但两压缩面交角处的流动对管道后部流场有较大的影响。      

几种超声速非常规压缩系统的研究

根据斜激波和膨胀波理论,数值计算得到给定非常规压缩型面所形成的弯曲激波型面和壁面静压分布,同Fluent计算结果进行比较。应用Fluent软件,计算了等压力梯度设计非常规曲面压缩二元进气道、常规等熵压缩二元进气道和三楔压缩二元进气道设计点性能。研究结果表明:数值计算得到的弯曲激波型面与Fluent计算结果吻合较好。等压力梯度设计的非常规压缩型面壁面静压均匀上升,有利于防止壁面附面层分离;其压缩面长度比等熵压缩面缩短21.6%,减轻了进气道的重量。     

密切弯曲激波乘波体技术的应用及有效性分析

将密切技术设计乘波体的应用推广至弯曲激波外锥流场中。针对不同激波形状(ICC)约束条件,在凸、凹激波曲外锥流场中,生成了四种构型的密切弯曲激波乘波体,采用数值模拟及理论分析的手段开展了密切弯曲激波乘波体技术应用的可行性验证及有效性分析。研究结果表明:(1)基于密切凸、凹激波外锥流场的乘波体乘波压缩面、出口截面压力分布、激波形状(ICC曲线)均与设计吻合,最大偏差小于5%,说明密切凸、凹激波外锥流场的方法设计乘波体是可适用的;(2)利用宽高比为0.5的超椭圆方程作为ICC控制曲线生成的乘波体,流场压力的理论解与数值解偏差可控制在1.6%以内,而宽高比为2的超椭圆方程作为ICC控制曲线生成的乘波体,流场压力偏差可控制在4%以内。     

压缩拐角激波/边界层干扰的可压缩湍流模型研究

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题,抓住可压缩流动中的密度变化特性,利用构造的可压缩Von Karman尺度,基于KDO(Kinetic Dependent Only)湍流模型,发展出可压缩湍流模型CKDO(Compressible Kinetic Dependent Only)。通过对8°,16°,20°和24°压缩拐角算例的数值模拟,测试了其对可压缩、激波/边界层干扰这一湍流难题的求解能力。计算结果表明,总体上CKDO模型对壁面压力和壁面摩擦阻力系数的捕捉能力优于其它模型,并且随着压缩拐角角度的增大,其描述该流动的能力更加突出。CKDO模型在24°压缩拐角处计算的分离区大小仅比实验大10%左右,明显比其它模型结果好。这表明CKDO模型在模拟激波/边界层干扰这一类流动中有较好的适用性。     

Parameters for evaluating the efficiency of inlet compression

The efficiency parameters are studied in this paper for evaluating the compression quality of the inlets with different compression degrees and assessing different design methods. Self-consistency is proposed for the efficiency parameters, based on two mathematically derived efficiency parameters, entropy rise coefficient and compression quality efficiency. Two efficiency parameters are then examined for equal intensity shocks system to show their capabilities in characterizing the quality of compression system with different compression degrees, and representing the average compression efficiency of the entire inlet. And the process efficiency and compression quality efficiency are compared in the Mollier diagram to afford a clear understanding of their difference in evaluating the overall and the local compression efficiency.     

Multi-channel data structure and real-time compression algorithm research

The development of space telemetry technology has brought forward the need for large capacity memory of any solid-state recorder; data compression therefore, becomes more and more important. The compression feasibility and potentiality of telemetry data are examined by analyzing the statistical characteristics of actual telemetry data recovered from recorders. Aiming at the disadvantage of present data formats in data compression for multi-channel telemetry data acquisition systems, this introduces a data packet structure, and a real-time compression algorithm for low complex hardware design. The principles and implementations of data package compression are described. Simulation results show that this technology can meet the requirements of multi-channel real-time data compression with a high compression ratio and a fast compression speed, which possesses great application value.     

Multi-channel data compression

With the development of space telemetry technology, it has brought forward higher requests for large capacity memory of hard recovered solid-state recorders. Therefore, data compression becomes more important. The compression feasibility and potentiality of telemetry data are examined by analyzing the statistical characteristics of actual telemetry data recovered from the recorder. Aiming at the disadvantages of present data format In data compression for multi-channel telemetry data acquisition systems, we introduce data packet structure and a real-time compression algorithm for low complex hardware design put forward accordingly. The principles and implementation of data package compression are described. Simulation results show that this technology can meet the requirements of multi-channel real-time data compression with high compression ratio and fast compression speed, which possesses great application values.     

弯曲激波压缩型面的设计及数值分析

分别采用等压缩角和递增压缩角的小折线构成压缩型面。研究了二维均匀超声来流流过压缩面时的波后超声流场,结果表明,该方法能够形成弯曲激波且波后气流沿流向的壁面静压近似为等压力梯度,其等压力梯度程度取决于各小折线压缩角的配置。采用该方法生成的曲面压缩型面进气道附面层稳定性好,优于常规的平面压缩进气道。与二维常规平面压缩进气道相比,设计工况下,性能相当;非设计工况下,性能优于二维常规平面压缩进气道。     

典型二元高超声速进气道与侧压式进气道的性能比较

在相同的约束条件下运用高超声速进气道已有的相关设计方法设计了两类典型的二元进气道与侧压式进气道,利用数值模拟手段对两类进气道的流场结构和总体性能开展了对比研究.研究发现,二元进气道出口流场畸变较小,流场均匀性优于侧压式进气道;二元进气道流量系数对飞行马赫数的敏感程度远高于侧压式进气道;设计点,二元进气道性能优于侧压式进气道.非设计点,尤其在接力状态下,侧压式进气道性能突出;侧压式进气道阻力特性优于二元进气道,而二元进气道的前体升力则高于侧压式进气道.      

变后掠角+变侧压角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Ma=6,Ma=4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,Ma=6设计点下,变后掠角+变侧压角曲面侧压式进气道流量系数较常规进气道提高4.1%,总压恢复系数提高5.3%;Ma=4来流条件下,流量系数提高6.3%,总压恢复系数提高5.4%.      

高超声速飞行器进气道压缩面逆向设计方法

针对高超声速飞行器进气道压缩面问题,首先研究了激波理论的逆向算法,以此为基础提出了进气道的等强度和等熵压缩面的逆向设计方法,并采用此方法设计了以进气道出口气流参数为设计参数的高超声速飞行器进气道压缩面,然后对两种压缩面进行了性能分析和数值仿真.结果表明:通过逆向设计方法设计进气道压缩面是可行的,其相对于传统方法耗时大大减少;理论计算表明相同设计条件下两压缩面几何参数基本一致,而来流参数也基本不变,设计点下等熵压缩面总压恢复系数高出等强度压缩面6.3%.数值仿真验证了该方法的可行性并研究了非设计状态下两种压缩面的各项性能参数,同时对比了不同马赫数下进气道内部波系分布和气流均匀性.