基于三维弯曲激波的宽域变马赫数乘波体设计分析

为改善常规乘波体布局的宽域气动性能,提出了一种基于复杂三维弯曲激波面的宽域变马赫数乘波体设计方法,其本质是将局部偏转吻切方法与“并联变马赫数”概念相结合,各流面内的设计马赫数不再保持不变,而可根据需求进行调整,以此提高乘波体的宽速域性能。该方法采用Bezier曲面直接指定所需三维激波形状,使得激波形状的选取更为灵活。结果表明,基于三维弯曲激波的变马赫数乘波体拥有更为均衡的气动与几何特性,更适于宽域飞行,且各流面内设计马赫数的离散单调性对此类乘波体性能有较大影响。相同条件下,马赫数7至12范围内设计的基于三维弯曲激波的变马赫数乘波体相较于吻切锥变马赫数乘波体具有更大的容积与更高的升阻比,但容积率有所下降。     

低韦伯数非牛顿射流撞击破碎直接数值模拟

非牛顿射流的撞击破碎在液体火箭推进系统中被广泛用于燃料的喷注雾化,然而人们对其破碎物理机制却知之甚少。本文将采用基于液体体积法的直接数值模拟(DNS)工具,研究夹角为90°的2个等直径低韦伯数射流撞击现象,并分析二者形成的单一对角射流特征及其破碎机理。研究结果表明,撞击形成的单一对角射流直径较原射流直径大1.66倍,并在头部形成液滴诱导破碎的发生。除了头部破碎,在对角射流的发展过程中还观察到一类液柱破碎,表现为射流表面不稳定波不断发展形成新的弯曲波破碎,并产生卫星液滴及液滴的融合。伴随两股射流撞击的发生,气液两相交界面的面积也不断减小,同时,射流内部的黏性也不断变化,在本文的低雷诺数和低韦伯数条件下,流体内部黏性系数变化超过10%。     

曲锥前体/内转进气道一体化设计与试验研究

介绍了曲锥前体/内转进气道一体化的设计方法，针对进气道侧壁外扩角这一设计因素，设计了具有不同捕获形状的两套一体化构型，并完成了两套模型在马赫数Ma=6.0、0°迎角状态下的风洞试验及数值模拟对比。结果表明，基于该一体化设计方法，曲锥前缘产生的初始入射激波在设计状态下能够完全封闭进气道唇罩，进而起到抑制唇罩溢流和提高一体化构型流量捕获能力的效果。在设计条件下，进气道侧壁外扩角的增加有助于减少侧壁产生的溢流，从而提高一体化构型的流量捕获能力。同时，外扩角的增大将导致下游反压前传速度加快，从而恶化进气道的内部流场并降低一体化构型的反压特性。因此，设计此类一体化构型时，需要考虑外扩角对捕获流量和进气道出口性能的综合影响，选择合适的进气道侧壁外扩角度以达到设计需求。     

弹用内乘波式进气道起动性能研究

 为弄清内乘波式进气道在低马赫数状态下的流动特征,分析影响内乘波式进气道起动能力的因素,研究与弹体匹配设计的内乘波式进气道的起动问题。首先基于一种有利于出口均匀性的基本流场,采用流线追踪技术,设计了来流马赫数为4.0且进出口形状适应弹体安装要求的双模块弹用内乘波式进气道;此后,采用计算流体力学(CFD)方法获得了低马赫数下进气道的三维波系结构和流动特征。研究表明,进气道溢流口位置是影响内乘波进气道起动能力的重要因素:在溢流口位置由两侧改至最下端后,起动马赫数由3.6下降为3.3;采用单模块方案,溢流口设置在下端后,起动马赫数下降为3.25。此外,设计内乘波式进气道基本流场也对起动性能有影响:设计出口马赫数不变,双模块方案下,入口气流偏转角每增大2°,起动马赫数约下降0.1;单模块方案下,提高入口气流偏转角最大可使起动马赫数下降为3.1;进气道内收缩比对起动能力的影响体现在入口气流偏转角不变时,进气道起动能力仅取决于内收缩比,设计出口马赫数每增加0.2,起动马赫数约减小0.2。研究所分析的各个弹用内乘波式进气道在设计条件下均可捕获99%的来流,在扩大了工作马赫数范围的同时,保持了高流量捕获性能和高总压恢复系数的优势。     

高超声速进气道的裂解碳氢燃料提前喷注研究

高超声速进气道的裂解碳氢燃料提前喷注一方面可以显著增加燃料的有效掺混长度,另一方面也可以实现对进气道激波和流场的控制。以替代裂解碳氢燃料C_(12)H_(24)为喷注气体,采用数值工具模拟高超声速二元进气道在飞行高度为26km时的工作状态,开展了马赫5设计状态无燃料喷注和马赫6超额定状态带燃料喷注的两类流场分析,重点研究燃料对波系的控制和燃料的自身掺混。通过调节五喷嘴的燃料喷注压力发现,按照马赫5设计的高超声速进气道在马赫6时同样可以实现完全激波贴口,燃料在进气道内通过多重外压缩激波作用也实现了与空气的完全掺混。同时,冷壁温条件下进气道内仅出现少量近壁燃烧,CO_2产物的质量百分比仅在10~(-7)量级,进气道出口的总压恢复系数相较无化学反应时下降2.5%,但仍维持在0.5左右。还对比了五喷嘴、三喷嘴、五喷嘴后移和90°单喷嘴结构下进气道流场以及掺混效率的区别,结果表明,五喷嘴结构的进气道燃料喷注可以实现4倍喷注压力下的激波封口和快速完全掺混,而三喷嘴、后移五喷嘴和单喷嘴结构分别需要5倍、5倍、6.6倍来流静压实现进气道马赫6的激波贴口。     

乘波前体三维内转进气道气动融合设计

在传统三维内乘波进气道设计方法的基础上,发展了一种具有乘波压缩特征的前体三维内转进气道气动融合设计方法。通过构造合适的双波入射基本流场,结合斜激波理论,可以推导出一种上游二维乘波流动叠加下游三维内收缩流动的基准流场。在此流场基础上进行流线追踪与气动融合设计,获得了一种乘波前体加三维内转进气道的气动布局方案。对该进气道方案数值模拟研究结果表明:在Ma6.0的设计状态下,该方案流量捕获系数能够达到0.96,总压恢复系数为0.53;而在Ma4.0的非设计状态,该方案流量捕获系数能够达到0.71,总压恢复系数为0.70。此外,与典型的前体二维混压进气道进行对比研究,乘波前体三维内转进气道方案总体性能提升明显,尤其是进气道流量捕获系数在设计状态下较二维方案上升了4.1%。     

一种涡轮基组合动力的整机低速风洞试验研究

针对一种多通道三动力涡轮基组合动力开展了整机低速风洞试验，着重从总体性能、流量分配、压力分布等方面，对三维内转组合进气道与涡轮发动机的耦合特性进行了分析。主要结论如下：低速状态下，三维内转进气道将给涡轮发动机带来最大10%的总压损失，组合动力推力最大损失24%、耗油率增加26%；内转进气道涡轮通道呈现出口总压分布不均、沿程静压先减小再增大的现象，随着涡轮发动机转速增大，通道出口高总压区逐渐向一侧移动；为减小低速状态三维内转进气道涡轮通道的流道损失，建议引入辅助进气门等引流装置、动态调整冲压通道流道面积，以匹配涡轮发动机工作状态。     

考虑来流边界层的超燃燃烧室喷射特性

针对超燃燃烧室中的燃料掺混问题,采用基于雷诺平均Navier-Stokes的数值模拟方法分析了考虑来流边界层条件下的燃料横向射流流场特征及其掺混特性.研究发现:对于确定的来流边界层,燃料喷射存在一个临界动压比.当动压比低于该临界动压比时,增大来流边界层能明显提高燃料的穿透深度和掺混效率.而当动压比大于该临界动压比时,来流边界层厚度对燃料的穿透深度和掺混效率几乎没有影响.对于所研究的流动状态,该临界动压比约为0.900.在相同动压比下,所选厚来流边界层条件下的总压恢复系数仅约为薄来流边界层的0.93倍.其中,来流边界层内的摩擦损失是造成超燃燃烧室低总压恢复的主要因素,而改变来流边界层厚度对喷流及下游流场总压损失造成的影响相对较小.     

转级模式对三维内转组合进气道模态转换性能的影响分析

为满足Xiamen Turbine Ejector Ramjet（XTER）组合循环发动机的工作需求,设计了一种具备涡轮、引射火箭、冲压三种模态,工作速域范围Ma∞=0~6的三维内转四通道组合进气道。重点对比分析了引射火箭至冲压的模态转换过程在固定马赫数转级（Ma∞=4.0）和区间马赫数转级（Ma∞=3.0~4.0）模式下的流动与性能特性。结果表明：该进气道在两种转级模式中均正常工作,进气道的捕获流量均能实现由引射火箭通道向冲压通道平稳过渡。固定马赫数转级时,由于分流板的调节,进气道总流量系数由0.92降至0.91,喉道马赫数从2.47降至1.99。引射火箭通道出口总压恢复系数随分流板的逐渐关闭从0.28下降至0.13,冲压通道出口总压恢复系数从0.27升至0.48。区间马赫数转级时,进气道总流量系数从0.89上升至0.91,喉道马赫数从1.63增至1.99。引射火箭通道的出口总压恢复系数随分流板的逐渐关闭从0.60下降至0.13,冲压通道出口的总压恢复系数从0.55下降至0.48。两种转级模式下,冲压通道的抗反压能力均逐渐增强,但结合通道内流动特性与各项性能参数,选择区间马赫数下转级可提高该组合进气道的综合气动性能。     

面向高超声速民机的多通道双涡轮引射冲压组合动力

面向宽空速域的重复使用涡轮基组合动力是世界关注的革命性技术。首先，简述了涡轮基组合动力的发展状况。随后，着重介绍了所提出的面向高超声速民机的多通道双涡轮引射冲压（MUTTER）组合动力的技术特点及研究进展：相较常规涡轮基组合动力系统，MUTTER组合动力采用独特的四通道对称构型，通过亚燃通道中的引射增推桥接双涡轮与冲压的推力鸿沟；规划了分尺度、分阶段的研究与验证方式；针对核心子系统的研究表明，进排气子系统可在宽空速域高效稳定工作，引射亚燃子系统可与其他子系统有效匹配。在此基础上，讨论了本组合动力的飞/发一体化特点。最后，给出了前期工作的若干认识。