基于圆锥截线的高超前体气动设计及特性分析

为了探究前体典型几何参数对高超声速前体/进气道气动特性的影响，在相同的前体外压缩角度和几何长度下，对基于圆锥截线参数控制横向截面的高超声速前体流动特性开展了三维数值模拟分析。采用控制变量法研究了高超声速前体宽度比、形状参数、形状角度参数以及水平半宽控制曲线次数对高超声速前体/进气道气动性能的影响。结果显示:上述四个几何参数对前体横向压力梯度的构建均产生一定的影响，导致前体横向溢流，进而影响前体/进气道的气动性能。增大前体宽度比、形状参数、水平半宽控制线次数，减小形状角度参数，可减小前体展向压力梯度及横向溢流，提高前体/进气道流量捕获特性，在本文研究范围内，上述参数变化对应的前体/进气道流量系数分别增加了25.1%，13.7%，20.3%及12.2%。     

基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法

针对高超声速进气道内强唇罩激波/边界层干扰带来的大尺度分离、流动损失大等问题,提出了基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法。在来流马赫数3、唇罩压缩角18°条件下,仿真对比了后掠/平直2类唇罩2种构型干扰区内的流动特性。结果表明：后掠唇罩入射激波/边界层干扰产生的分离包尺度沿展向呈现逐渐增加的趋势,利用三维后掠入射激波产生的自对称面往两侧的顺压梯度,驱动低能流往两侧迁移,可使得分离区流向尺度相对于平直唇罩构型最大可减小50.6%;在后掠唇罩干扰区内,压力分布呈现以分离线曲率中心为虚拟中心的椭圆相似特征。     

不同波系配置的鼓包压缩面流动特性实验研究

为探究波系配置对鼓包压缩面流动特性的影响,通过纹影和基于纳米粒子示踪的平面激光散射系统(NPLS)观测以及压力测量等实验手段,研究了三种不同波系配置的鼓包压缩面诱导的复杂流动,获得了鼓包压缩面上的压力分布、边界层分布特性以及鼓包压缩面上的精细流场结构。结果表明:三种不同波系配置的鼓包压缩面均具有边界层排移能力,在鼓包对称面上,沿流向边界层不断降低,边界层不断向两侧排移,在鼓包侧面形成堆积。尽管如此,压缩过程的不同,边界层的排移过程存在一定差异,对于单锥鼓包,其最先将低能边界层排移掉,而双锥和等熵锥鼓包略为迟缓,但三种鼓包末端的边界层厚度大体一致。此外,三种鼓包压缩面对称面上前中部压力梯度存在较大差异,但鼓包末端具有相同的压力分布。因此,在保证总偏转角一致的情况下,具体选用哪种鼓包配波方式对于边界层排移、增压能力而言没有显著的差异。     

高超声速飞行器机体/推进一体化设计的启示

机体/推进一体化设计是吸气式高超声速飞行器的关键技术。飞行器的前体和后体既是主要的气动型面,又是发动机进气道的外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,一体化设计直接影响飞行器的气动与发动机性能。本文阐述了吸气式高超声速飞行器的主要特点,梳理了飞行器的推阻匹配、升阻比特性、操稳匹配等主要气动设计问题。通过对国外典型高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术的综合分析,总结了前体/进气道、后体/尾喷管、边界层强制转捩装置等关键部件的气动设计方法,获得了有意义的启示,可为后续吸气式高超声速技术研究提供重要参考。     

基于微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混机理

为了改善高超声速飞行器前体压缩面边界层速度型的饱满程度，降低进气道壁面流动分离的潜在风险，提出了基于阵列微型叶片式涡流发生器的前体压缩面低能流掺混方法。采用数值模拟方法研究了涡流发生器在来流马赫数7状态下的流动特性，揭示了主要流动控制机理，并分析了安装角对掺混效果的影响规律。研究结果表明：微型叶片式涡流发生器可对近壁气流产生一定扰动，形成局部大侧滑角、低压区域，掺混的主要机理在于叶片两侧分别形成扫掠激波、膨胀波，诱导近壁流体向叶片方向偏转，形成局部横向迁移，进而与主流产生掺混效应；负安装角的涡流发生器的扰动能力最强，但总压损失也最大；正安装角时涡流发生器的扰动能力随安装角的增大而增大；相比于无控制状态，所有叶片式涡流发生器均可降低边界层形状因子，安装角15°时的边界层形状因子最小，边界层速度型最为饱满，说明该状态下壁面流动具有较优的抗逆压分离能力。     

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

高超声速可变形双翼气动特性

为研究高超声速可变形双翼在不同迎角和不同马赫数条件下的气动特性,并针对在给定的迎角和马赫数条件下可变形双翼的舵面偏转角选取困难的问题,通过结合二分法、遗传算法和高斯牛顿算法对处于不同迎角和不同马赫数条件下的可变形双翼的舵面偏转角进行了选取确定,分析了可变形双翼的气动特性和舵面偏转角对其气动特性产生影响的机理。研究表明:当来流马赫数为5,迎角从1°~8°变化时,可变形双翼的升阻比明显大于Busemann双翼的升阻比,最大可达4.2倍;当迎角为3°,来流马赫数从0.5~5变化时,可变形双翼的升阻比最大可达Busemann双翼升阻比的3.4倍。结果表明可变形双翼在大迎角和大速度范围内均能保持高升阻比,在高超声速飞行中将具有更好的应用价值和前景。     

基于膨胀波效应的高超声速进气道肩部流动分离控制研究

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离，从膨胀波及激波理论出发，推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式，获得了影响斜激波诱导分离的主要因素：膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上，开展了膨胀波效应影响下的流动分离控制研究，给出了膨胀波效应影响下斜激波诱导分离的判别及预测方法。结果表明：增大激波入射点处膨胀角梯度，可以显著减小甚至消除肩部流动分离；随着激波角增大，激波强度及逆压力梯度增加，分离区尺寸显著增大。而波前马赫数对分离区尺寸的影响不显著；在进口马赫数3.57～5.18，唇罩角度6°～10°范围内，当激波入射点处逆压比梯度小于250 m-1时，斜激波诱导的流动分离消失，可为改善超声速/高超声速进气道内流道流动分离提供技术支撑。     

高超声速双模块内转式进气道的流动特性研究-Part II 攻角影响

为了研究飞行攻角对高超声速双模块内转式进气道流动的影响,本文通过试验和仿真方法,获得了0°,4°和6°攻角条件下进气道模块内的流动结构。结果表明：在本文研究的攻角范围内,进气道均可起动,进气道压缩面侧的压力变化体现了基准流场的流动特性。在耦合作用下进气道模块间压缩面诱导的激波形态沿流向由弓形逐渐发展为钟形,并且在外压缩激波的扫掠影响下进气道的三个角区出现了强度不同的旋涡结构。进气道压缩面侧的角区旋涡随着攻角的增加而逐渐增强,而进气道出口截面上低能流区域随着攻角的增加而逐渐减小。低能流区域内的二次旋涡呈现不同的变化趋势,位于上半截面的旋涡随着攻角的增加其逐渐向上移动,而位于下半截面的旋涡位置基本保持不变。     

华中科技大学Φ0.5m马赫6 Ludwieg管风洞设计与流场初步校测

高超声速风洞是研究高超声速空气动力学关键问题的重要手段，但是常规高超声速风洞建设和运行成本偏高，不利于深入开展高超声速飞行器部分空气动力学基础问题研究。本文以低成本研究型高超声速风洞设计为目标，基于Ludwieg管设计原理，开展了Φ0.5 m口径马赫数6高超声速Ludwieg管的气动设计。首先采用数值手段对储气段、快开阀以及Laval喷管设计进行了分析，重点关注了采用弯曲储气段的Ludwieg管风洞非定常启动过程，之后使用皮托耙和皮托管等对风洞实验段的自由来流进行了初步校测。结果表明，采用快开阀主控的Ludwieg管高超声速风洞可以获得良好的流动品质，弯曲储气段虽然会影响膨胀波系的传播强度，但对其传播速度以及风洞的流场品质影响不大；风洞初步校测的数据显示，该风洞的来流马赫数分布品质优良，且来流压力脉动幅值低于德国与美国同类管风洞。该研究为设计低成本、大口径、研究型高超声速风洞提供了参考，可服务于高超声速空气动力学关键气动问题的实验研究。     

压力分布可控的高超声速进气道/前体一体化乘波设计

在二维弯曲激波高超声速进气道基础上,发展了一种压力可控的进气道/前体一体化乘波设计方法。通过事先指定前体/进气道壁面压力分布,结合二维特征线反设计方法,可以逆向设计出流向、横向压力分布规律都可控的进气道/前体外压缩段型面。采用该方法,设计了一种二维进气道/前体一体化方案,并对其进行数值模拟。结果表明：设计状态下,与不带侧板二维进气道相比,此类一体化方案中的进气道设计状态流量系数提高27%,出口压比提高48.5%,总压恢复系数提高10%;与楔导乘波理论设计的一体化方案相比,压力可控的一体化方案具有相似的外形尺寸和乘波特性,但进气道流量系数则较楔导乘波方案提高了5%,进气道出口压比提高6.4%,总压恢复系数提高2.3%。     

弯曲激波压缩曲面的二元高超声速进气道研究

以弯曲激波压缩面设计的二元进气道具有较短的长度和较高的性能,研究了以等压力梯度弯曲激波压缩曲面设计的二元进气道一般性能,并以部分等熵压缩前楔板设计的二元进气道的一般性能与之作对比,以探讨前者在Ma 4～7高超声速范围进气道的外压缩面设计上的应用。对以等压力梯度设计的型面开展分析,进行了2D粘性计算并获得了稳定流场,显示进气道有较高的压缩效率。在相同总折转角条件下,通过对比不同起始角方案的进气道总压恢复和长度比,前楔板起始角不宜超过7°,进气道长度比可缩短约10%。在对比计算等压力梯度设计的进气道与部分等熵压缩进气道后,认为前者总压恢复性能要下降3%～5%,但激波封口设计点可以适当提前。最后尝试以流线追踪法扩展到三维乘波前体,在设计点附近获得平直的激波面,显示具较好的乘波特性和二元流动特征。      

基于壁面压力分布的二元高超声速弯曲激波压缩进气道反设计与优化方法

为进一步提高高超声速进气道的性能,发展了通过指定压力分布规律来反设计整个二元进气道的方法,实现了气动参数可控的进气道内外压缩一体化设计,建立了基于Isight软件的进气道自动化设计分析和优化平台。初步的研究表明,使用此设计方法,能够得到综合性能优秀的进气道设计方案,该方案在来流马赫数6下喉道总压恢复系数为0.68,在来流马赫数4时流量系数达0.77。      

高超声速飞行器构型的数值模拟、试验研究与优化设计

综合升力体和乘波构型的气动性能优势,发展了一种高超声速飞行器前体气动构型的设计方法。运用该方法参考某高超声速飞行器气动布局方案,设计了一种高超声速飞行器气动布局。对该类高超声速气动布局进行了数值模拟、优化设计和试验研究;并研究了该类气动布局在高空飞行时,稀薄气体效应对气动性能的影响。数值模拟结果表明：构型前体预压缩面能够将高压气体封闭在构型下表面,实现了乘波构型的设计概念;优化设计结果表明,对于该构型宽展比应在0.4~0.6之间,通过优化升阻比至少有3%~5%的提高余地。对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进,发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件。研究结果表明,在临近空间区域,该类气动布局的升阻比特性略有下降,但仍旧保持了高升阻比的气动优势。     

平板-控制翼缝隙热流分布的激波风洞实验

1.引言 高超声速机动飞行器(如航天飞机、机动导弹等)的气动控制翼,为了转动灵活,在弹体和控制翼之间总有一定宽度的缝隙。出于翼前物面压力一般总是大于翼背风面的压力,因而形成了缝隙内流。这样,外物面边界层内的热气体流入缝隙内,产生了缝隙流气动加热及缝隙的热防护等问题。当翼转角足够大时,还会引起翼前物面边界层的分离再附,这对缝内流动有很大影响;而缝隙流反过来也会影响分离再附区的流动性质和整个弹体的气动力特性。控制翼引起的激波与湍流边界层相互干扰,本来就是很复杂的     

基于欧拉方程的高超声速飞行器的壁面流线生成计算

提出了一种新的利用表面流函数法计算高超声速飞行器表面流线分布的方法.首先提出了表面流函数的概念,并通过理论推导,得到了表面流函数与表面流线的关系;然后运用结构化网格求解三维Eu-ler方程,计算得到高超声速钝头体的边界层外缘外部无粘流场气流参数;最后利用无粘流场气流参数和表面流函数的方法计算了高超声速飞行器的精确表面流线分布.结果表明,在无攻角和攻角小于20°的情况下均可以得到较好的壁面流线分布.高精度的表面流线的得到,为利用边界层内粘性主导区域的积分方程等方法进一步精确预测高超声速飞行器表面的气动加热奠定了基础.      

不同雷诺数下展向凹槽对高负荷扩压叶栅损失特性影响的数值研究

为研究吸力面展向凹槽在不同雷诺数下对叶栅损失特性的影响，以高负荷扩压叶栅为研究对象，基于数值模拟方法深入分析了不同凹槽方案对叶栅损失的控制效果。研究结果表明：在雷诺数为5.5×10⁵条件下，展向凹槽使吸力面湍动能增加，转捩提前，同时凹槽的扰动会造成较大的湍流边界层损失，使得总体损失增大，但合理的凹槽设计仍可有效改善-9°冲角条件下的流动损失；在雷诺数为1.35×10⁵和4×10⁴条件下，展向凹槽改善了叶型前缘载荷分布，抑制了层流分离泡的发展，在设计冲角条件可使总压损失最大减小8.45%。随着雷诺数降低，展向凹槽组位置越靠近叶型前缘，在-9°～+6°冲角内，其减损效果越好。但在设计冲角条件下，3-4-5-6凹槽组的作用效果在3种雷诺数下均是最优的。     

尾迹/势流干扰对跨声速风扇静叶附面层流动影响的数值研究

为揭示尾迹/势流干扰下压气机静叶附面层的非定常流动机理,采用数值方法对单级高负荷跨声速风扇中径处的非定常流场进行模拟,针对尾迹/势流干扰下的静叶附面层非定常流动特征进行研究。基于尾迹/势流与叶片附面层干扰模型,通过叶片壁面摩擦力、近壁面附面层湍动能和壁面静压脉动,详细分析了尾迹和势流干扰下尾迹对高负荷静叶附面层流动状态的影响。研究发现:在非定常条件下,尾迹干扰能够"刺穿"静叶附面层,使得静叶附面层发生跨越转捩现象。尾迹和受其诱导的势流碰撞静叶前缘产生的压力扰动波在压力面附面层内以声速传播,影响压力面整个弦长的静压和摩擦力分布,而在吸力面上,扰动波的传播仅局限在前缘区域部分弦长上,吸力面和压力面传播现象不同与逆压梯度和曲面凸、凹形状相关。     

流向涡-面干扰流动特征

旋涡与物面相互作用广泛存在于各类飞行器的绕流中,旋涡改变了物面的压力分布,物面影响了旋涡的空间演化,进而影响飞行器的气动特性。针对流向涡与物面相互作用过程中的流动压力特征关系开展研究。采用风洞试验手段,获取旋涡流动结构的空间演化规律及物面压力载荷分布特征。结果表明:流向涡在作用过程中不仅会发生展向位移,而且会发生法向离面位移。试验参数范围内,入射高度降低0.1c,展向位移最大量增加0.3c,法向位移最大量增加0.02c。物面受旋涡影响出现集中的条带状低压分布以及"双峰形"压力脉动集中区。物面压力特征变化可为后续开展涡-面流动模型重构研究提供试验支撑。     

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。