TBCC进气道模态转换气动技术研究综述

阐述了涡轮基组合循环发动机(TBCC)进气道模态转换国内外的研究现状,并结合串联、内/外并联等典型TBCC发动机的主要特点对其模态转换气动技术研究存在的主要问题及未来主要发展趋势进行对比分析。给出了TBCC模态转换过程需要进一步解决的主要关键气动问题,主要包括新型高性能TBCC进气道模态转换设计技术、模态转换过程高精准度数值模拟及风洞试验技术、模态转换条件对进气道出口流场性能和起动特性影响、模态转换过程分流板区域内外流复杂非定常流动机理及对飞行器气动特性的影响等,为TBCC组合动力模态转换气动技术研究提供参考。     

进气道进口导流板的工作机理

在低速情况下进行了进气道安装进口导流板的研究。文中用实验阐明了进气道处于大攻角下进口导流板能有效的降低其出口稳态和动态畸变,并能提高其总压恢复。文中进一步说明了进口平直段内避风侧壁面上的气流分离与出口流场的关系,提出了导流板改善气流分离的机理,并用所提出的装导流板后的流动模型进行了分析和推断。文中论述了导流板设计参数对进气道性能的影响。本文内容对设计进气道进口导流板具有参考意义。      

二维高超声速压缩面斜激波系的优化配置

选择进气道外压缩段的气流转折角为设计变量,以进气道的压升比为约束条件,分别以总压恢复系数和阻力系数为优化目标,基于一维气体动力学,在飞行马赫数6,飞行高度25 km,进气道出口气流方向与自由来流夹角等于0,°2,°4°和6°的条件下,对二维混压式高超声速进气道进行了优化设计,得到了优化的斜激波配置。优化结果表明,在所讨论的各种情况下,以阻力系数最小为目标得到的外压缩段斜激波系与以总压恢复系数最大为目标得到的外压缩段斜激波系基本相同,都近似为等强度斜激波系。运用数值模拟手段验证了等强度斜激波系配置原则,本文提供的方法可以用于二维混压式高超声速进气道的初步设计。     

自由射流试验中进气道上斜板结构影响仿真评估

为准确掌握组合动力冲压发动机自由射流试验方法,分析有限设备能力条件下超声速进气道波系试验结果的有效性,采用数值仿真方法对截去和未截去超声速进气道上斜板的冲压发动机自由射流试验布局进行了对比分析。结果表明,超声速进气道上斜板附面层的发展将影响进气道内的气流角,且气流角的改变对冲压发动机燃烧室进口截面气动参数影响明显;截去超声速进气道上斜板的自由射流试验,可采用调整气流角的方法考虑上斜板附面层造成的影响,进而减小模拟偏差。     

涡轮基组合循环发动机并联式进气道的气动特性

为了研究工作马赫数范围0~5的涡轮/冲压组合发动机进气道的工作特性,对一种内并联式涡轮基组合循环发动机(TBCC)变几何进气道进行了型面设计并对其二维流场进行了数值模拟。得到了进气道在各典型工作状态下的流场特征,在不采用附面层抽吸的条件下进气道在各典型飞行马赫数下均能正常起动。以设计巡航状态和过渡工作状态为例,分析了反压变化对进气道性能的影响,结果表明,进气道出口反压对进气道性能有重要影响,尤其是进气道在过渡工作状态时,两流道之间存在气动耦合效应。文中还给出了进气道气动参数随飞行条件变化的特性曲线,初步研究了影响进气道性能的主要因素,分析了该进气道在典型飞行工况下的气动性能。     

国外并联式涡轮基组合循环发动机技术发展途径浅析

为借鉴国外并联式涡轮基组合循环(TBCC)发动机技术研究经验,从飞行器使用需求出发,分析了并联式TBCC发动机面临的技术挑战,并从高速涡轮基技术、冲压发动机技术和组合技术三个方面,梳理了美国典型并联式TBCC发动机的研发计划。在此基础上,分析并提出了并联式TBCC发动机技术发展途径:拓展涡轮基工作马赫数上限和冲压发动机工作马赫数下限以实现并联式TBCC发动机模态转换,采用射流预冷技术扩展现有涡轮工作包线是短期内实现性较好的技术验证途径,开发高速涡轮发动机技术是未来发展的必然趋势。     

中心支板顶角对RBCC进气道影响数值研究

为研究中心支板顶角对火箭基组合循环发动机(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)进气道的影响,优化RBCC进气道设计方法,利用数值模拟对RBCC进气道开展了研究。分析了中心支板顶角变化对进气道内压缩段最小长度的影响,通过数值模拟对中心支板顶角变化对典型工况下进气道的流场特征和性能影响开展了定量及定性的研究。研究结果表明,增加支板顶角可以减小进气道长度(相比于Strut_1,Strut_2至Strut_5的隔离段长度分别减少47%,62%,70%,75%)和粘性阻力系数(相比于Strut_1,在Ma∞=1.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少33%,45%,55%,59%;在Ma∞=5.5时Strut_2至Strut_5内压缩段粘性阻力系数分别减少37%,50%,57%和61%),但并不影响进气道流量系数和流动均匀度。同时根据研究结果对进气道进行优化设计,能有效提高进气道的起动能力及其他性能参数,进气道的内、外压缩段阻力系数分别降低13.5%和5.7%,总压恢复系数和循环静温比分别提高2.6%和0.5%。     

基于二次流喷射的并联式TBCC排气系统性能提升技术研究

基于CFD数值模拟方法,分析了并联式涡轮基组合循环发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)排气系统的内外流场特性,提出了在涡轮喷管下壁面处喷入高压二次流以提升排气系统性能的方式,研究了不同飞行状态下二次流喷射对排气系统性能(推力系数、推力矢量角)的影响规律。计算结果表明:二次流喷射会产生弓形激波,与喷管上膨胀壁面附面层作用产生新的分离区,提升涡轮喷管和冲压喷管内的整体压力,从而改善并联式TBCC排气系统的推力及推力矢量性能,且对亚声速和跨声速飞行状态下的并联式TBCC排气系统性能改善比较明显,可使轴向推力系数最大提升7.34%,推力矢量角提升12.76°。     

TBCC进气道研究现状及其关键技术

介绍了TBCC发动机的组合方案及相对应的进气道方案,通过对国外TBCC进气道技术发展和应用现状的详细分析,阐述了不同布局方式的TBCC进气道的优劣点,总结了发展TBCC进气道所面临的主要挑战及所需解决的关键技术,提出了TBCC进气道技术当前有待突破的首要问题,意在为发展TBCC进气道技术提供基本思路和参考。     

TBCC发动机用二级混压式进气道压缩段设计方法研究

为了适应TBCC发动机宽马赫数进气需求,基于Oswatitsch的最佳波系理论和CFD技术,考虑变比热、激波与附面层干扰等因素的影响,分别选取飞行马赫数Ma=4,高度H=21300m和飞行马赫数Ma=6,高度H=26600m为设计点,对TBCC发动机二级混压式进气道进行了初步设计,分析并比较了两种方案进气道的设计点和非设计点性能及二维流场。计算结果表明:不考虑粘性影响,本文设计的进气道能够满足沿飞行轨迹的TBCC发动机性能要求,具有良好的内外流特性。     

背压脉动引起的超声速进气道流固耦合振动分析

冲压发动机燃烧室压力脉动对进气道形成背压脉动,影响了进气道内流动的稳定性。采用数值仿真方法,研究了背压脉动作用下超声速进气道内非定常流动与局部弹性壁板的流固耦合振动问题,分析了壁板阻尼对进气道流固耦合振动问题的影响。结果表明,弹性壁板振动形成了"动态空腔"效应,大幅降低了激波串振荡幅值,增加了非定常流动稳定性。其中,无阻尼弹性壁板模型的激波串振荡幅值下降为刚性壁板模型结果的45.6%。通过增加壁板阻尼的方式,能够增强壁板振动的"动态空腔"效应。当刚度比例阻尼系数为10~(-4)时,激波串振荡幅值降为刚性壁板模型结果的43.7%。     

蛇形进气道影响下发动机进口部件水撞击特性的数值研究

为了了解亚声速蛇形进气道影响下航空发动机进口段迎风表面处的水滴撞击特性,采用欧拉/欧拉法对蛇形进气道和发动机进口段在来流马赫数为0.3及环境温度为266.5K的大气结冰条件下进行了空气/过冷水滴两相流场的计算,再由已获得的水滴流场进行支板表面水撞击特性的计算。整流罩表面水滴的撞击计算时采用插值的方法将原两相流场的计算结果插值到新生成的整流罩的近壁网格处,之后采用新生成的整流罩面网格进行水撞击特性的计算。通过计算获得了发动机进口结冰参数、支板以及整流罩表面水收集系数的分布。计算结果表明整流罩和支板表面水滴撞击的主要区域与进气道的弯曲方向有关且位于其下表面一侧,最大水收集系数达到0.98。与之相对比的整流罩和支板其他区域的水收集系数则显得非常微小,在数值上约等于0。此外,对于与进气道对称面平行的竖直支板,其与机匣相交的区域存在水收集系数为0遮蔽区。     

唇口对侧压式高超声速进气道及等直隔离段影响的数值分析

用N-S方程和RNGk-ε紊流模型计算了RBCC用侧压式高超音速进气道及等直隔离段三维内流场,重点分析了唇口位置对来流Ma=6流场的影响,并分析了有关的现象。结果表明:唇口位置前移使得出口截面上气流的均匀程度、对气流的压缩程度、唇口激波的强度、进气道的流量捕获率和总压恢复系数等都比唇口位置的情况更大,而在喉部时介于二者之间。      

组合发动机可调进气道气动性能

为使涡轮/冲压组合发动机能在宽广的飞行高度、速度内飞行,设计一种组合发动机可调进气道气动结构.编制带黏性修正激波系结构预估程序,实现不同来流马赫数及来流攻角下,进气道内激波系结构布置及强度预估,并指导进气道可调楔板尺寸选取.考虑进气道附面层抽吸后,对来流在马赫数为1.6～4.0范围内,-2°,0°和+2°三种攻角下进气...     

二元高超声速进气道内压缩通道/隔离段曲面构型

对于二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段设计,提出了进气道下壁弧形曲面构型方案。在一系列不同收缩比、不同波系配置的平面构型进气道基础上,通过基于N-S方程的数值模拟研究了不同半径的弧形过渡曲面对进气道性能的影响。发现采用弧形曲面过渡可以削弱平面构型方案对气流不必要的膨胀,减小隔离段进口处上侧壁面高压,改善隔离段进口气流均匀性。新构型有助于降低起动马赫数,且弧形过渡半径越大,收缩比越大,降低的程度越明显;还可以大大提高进气道的总压恢复,无须最后一道内压激波打在下壁面肩点上即可获得较高的性能。     

一种多热力循环组合发动机进气道设计方案

针对马赫数0~6的预冷涡轮+冲压组合多热力循环发动机的宽范围工作要求，提出了一种在马赫数2~6范围内流量系数为1.0的宽范围轴对称进气道变几何调节方案，通过中心锥与分流板的协同平移运动，可在满足涡轮与冲压两通道流量分配要求的同时，实现两通道压缩量的匹配调节。对起始半锥角分别为20°和13°的两种变几何进气道方案开展了设计与对比研究。结果表明：起始半锥角对最终方案设计影响最大，起始半锥角为13°的进气道方案较起始半锥角为20°的方案，冲压通道和涡轮通道在来流马赫数为6时临界总压恢复分别提高了16%和14%，最大迎风面积减小了12.4%，但中心锥和分流板平移调节距离分别增加84%和91%。     

高超声速咽式进气道起动特性研究

为了研究高超声速咽式进气道在非设计迎角以及低马赫数下的起动性能,利用流线追踪生成了设计马赫数Ma=7,具有8-7无粘基本流场（即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生）的咽式进气道,并对边界层修正前后的两种咽式进气道进行了数值模拟和高超声速风洞实验。实验观测和记录了各个来流条件下进气道模型唇口的激波系结构,测量了沿进气道模型上下壁面中心线从气流进口到出口的沿程静压分布。结果表明：迎角的增大和来流马赫数的减小都会对进气道的起动性能造成不利的影响,通过对咽式进气道进行边界层修正,可以提高进气道的总压恢复系数,减小内收缩比,从而扩宽进气道起动的马赫数以及迎角范围,对进气道设计有着积极的作用。     

带整体式粒子分离器的涡轴发动机进口支板的三维积冰数值研究

整体式粒子分离器对涡轴发动机的气动乃至积冰都会有影响。为了获得涡轴发动机进口支板的积冰特性,以包含整体式粒子分离器的涡轴发动机进气机匣为模型,选取间断最大结冰条件,采用欧拉-欧拉法模拟了进气机匣内的空气-过冷水滴两相流场,并计算了支板表面的水滴撞击特性,再应用考虑水膜流动和蒸发的三维积冰模型对支板表面的积冰进行了模拟。计算结果表明,机匣进口的水滴有99.4%进入了扫气流道,而且结冰参数在支板前缘上游呈现出明显的周向不均匀性。对于主流道下游的4片支板,仅距离蜗壳起始位置最近的支板前缘局部受到显著的水滴撞击,最大水收集系数达到3.8,当积冰总时间为74s时,该支板表面最大积冰厚度约8mm,其余3片支板表面几乎没有水滴撞击和积冰现象。本文的研究结果可为考虑整体式粒子分离器影响的涡轴发动机进口支板的防冰设计提供依据。     

涡轮基组合循环发动机控制问题概述

本文对涡轮基组合循环发动机（TBCC）中存在的控制问题进行了综合分析。在TBCC运行过程中存在很多过渡段,对这些过渡段的研究非常富有挑战性。TBCC在过渡段的性能,不仅与组成它的涡轮和冲压发动机本身型式及特征有关,还受到两类发动机之间相互关系及调节机构的影响。TBCC控制问题的关键在于保证过渡段稳态和瞬态的性能品质,具体涉及过渡段的燃料、温度控制,进气道和尾喷管喉部调节及阀门开度控制,以及飞行/推进综合问题等。     

基于正激波位置计算的进气道/发动机系统实时仿真模型

研究了超声速条件下,基于进气道内正激波位置计算的进气道/发动机系统综合仿真问题。提出了将超声速进气道分为内、外两部分独立计算的方案,外部通过斜激波计算公式获得进气道内部的边界条件,对进气道内部采用准一维CFD模型模拟背压对正激波位置的影响。相比二维CFD计算,在保证参数精度要求的前提下有效缩短了计算时间,提高了仿真实时性。进一步将进气道模型与发动机部件级模型匹配运行,构建了进气道与发动机综合实时仿真模型。进气道/发动机综合模型的仿真表明,其能够准确模拟进气道正激波位置对涡扇发动机的动稳态影响,当来流发生扰动时,通过喷管喉道面积和压缩部件导叶角的快速调节,能够抑制正激波位置的变化,并使推力下降量减少50%。