激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中,迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备,是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验,需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化,发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型,在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量,获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像,不同测量技术获取的试验结果可相互印证,线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

基于CFD结果的轴流压气机附面层堵塞计算方法

为研究轴流压气机附面层堵塞计算方法,提出一种基于计算流体力学结果自动提取附面层厚度的多参数组合方法,该方法整合了多种附面层判断准则,可有效避免单参数判断准则的局限性。通过多个算例,包括二维平板、多级轴流压气机端壁、进口导流叶片以及带有分离区的静子叶片等,对该多参数判断准则进行了检验。结果表明,此附面层提取方法具有很好的有效性和普适性。该研究建立了多级轴流压气机中端壁堵塞从高维向低维模型的反馈,为压气机设计体系改进提供了更多可能。     

基于γ-Reθ转捩模型的高超声速复杂构型转捩模拟

在大规模并行可压缩Navier-Stokes求解器AHL3D框架上,搭建了γ-Re_θ转捩模型。在该模型基础上,通过高超声速二维进气道构型算例,加入了可压缩性修正,使其能够模拟可压缩性对转捩位置的影响,同时通过修改分离诱导转捩关键参数,增加了模型对粗糙颗粒诱导强制转捩的敏感性,最后对耦合关系式也进行了适当的修改。为了验证修改后的模型对高超声速自然转捩和强制转捩的预测能力,对Ma7.4 Ames全尺寸模型和单个粗糙颗粒诱导Ma6的平板转捩进行了模拟。结果表明:与原始模型相比,修改后的模型的转捩位置被大大推迟,并且粗糙颗粒诱导转捩的作用被加强,与实验结果吻合良好。采用此模型对X-51A的20%缩比进气道模型在普渡大学Ma6静音风洞中的试验状态进行了模拟,模型不仅能够反映来流湍流度对转捩的影响,也能反映转捩带对转捩的促进作用。结果显示修改的转捩模型在高超声速复杂构型的转捩预测及研究中具有很好的应用潜力。     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器

采用数值仿真方法,开展了高超声速飞行器（HIFIRE-5）的流场特性计算研究,精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象,并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明,所用数值计算方法有效,横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因,该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。     

液氢空化流动特性研究

对液氢空化流动的实验数据进行了统计分析,数值计算了大范围温度变化下液氢空化流动的变化特征。结果表明采用的数值计算方法计算结果与实验数据吻合良好。随着温度变化,液氢空化流动存在两种空化行为。当温度低于转捩温度时,空化行为的变化受液/汽密度比控制,空穴面积随温度的增加而增加;当温度高于转捩温度时,空化行为的变化热力学效应控制,空穴面积随温度的增加而减小。空化数和来流速度越大,转捩温度越高。     

可控扩散叶型的扩稳优化

采用正问题方法,将叶型几何参数化、叶型性能分析程序与遗传算法相结合,对某传统可控扩散叶型（CDA）进行叶型损失和攻角范围的综合性能优化设计。结果表明:优化叶型与原叶型具有相近的设计点损失,而其攻角范围由原来的11°增大至17.5°,其中负攻角范围增大了近4.5°。另外,优化叶型的损失随攻角变化也更为平缓,意味着可以在更为宽广的攻角范围内保持稳定的性能。分析表明:吸力面速度峰值位置由原叶型40%弦长处前移至20%弦长处,增加了减速区的长度,使减速更为平缓,是正攻角裕度增大的主要原因。负攻角裕度增加有两方面原因,优化叶型喉道面积增大且喉道位置与设计点吸力峰值位置错开,具有较大的堵塞裕度;压力面前部区域速度较为平缓,甚至略微加速,直至30%弦长后才开始减速扩压,避免了因压力面前缘处的较大速度尖峰以及随后的持续扩压导致附面层的过早分离。      

不同来流附面层特性下端壁射流对弯曲叶栅内流场的影响

给定不同型式的来流附面层,采用数值模拟方法,旨在讨论变来流附面层特性下端壁射流式旋涡发生器对于弯曲扩压叶栅内流场的影响。结果表明,对于正弯叶栅,射流可有效减弱其吸力面上的流动分离,随着来流附面层变厚或附面层内总压亏损的增加,原型叶栅角区内的分离范围逐渐增加,因此提供给射流改善流场的空间也相应增大,损失降低程度由2.3%提高到8%。在反弯叶栅当中,射流作用之后,在零附面层来流条件下,角区内的分离范围减小且损失降低了9.1%;随着来流附面层增厚,在分离范围降低的同时,吸力面上的集中脱落涡也相应消失,因而损失降低程度增加到了12.5%。此时,随着来流附面层条件进一步恶化,射流对于流场的作用效果基本保持不变,这说明针对本文给定的射流参数,端壁射流对于反弯叶栅内流场的改善程度已达到极限。     

非对称尾迹对低压涡轮叶片附面层影响的研究

针对低雷诺数下低压涡轮(LPT)叶片尾迹存在的不对称性,研究了一种在近场与LPT尾迹更加接近的非对称尾迹对下游叶片附面层的影响,以求在不增加实验难度或计算量的前提下,提高研究过程中尾迹对下游叶片流动影响预测的精确性。研究以CFX软件为工具,以Packb高负荷LPT叶型为研究对象,分析了圆棒、三角形尾迹与叶片近场尾迹的相似性,对比了在圆棒与三角形尾迹扫掠下,叶片吸力面附面层的流动特性。研究发现,与圆棒尾迹相比,偏置的三角形尾迹与低雷诺数下的LPT叶片尾迹更加相似,且可更好地抑制吸力面分离。     

雷诺数对高负荷低压涡轮叶栅流动损失的不确定性影响

高空巡航时高负荷低压涡轮(LPT)雷诺数较低,在逆压梯度作用下叶背极易发生层流分离转捩并恶化LPT的气动性能。重点开展雷诺数扰动对高负荷LPT流动损失的不确定性影响研究。首先通过求解■模型方程对高负荷LPT叶栅进行数值模拟,通过精度分析及对比评估数值模拟的可靠性。之后分析不同湍流度条件下雷诺数对动能损失系数(KELC)的影响并建立KELC的自适应响应模型,计算KELC的统计均值、标准差等并对比分析KELC的不确定性影响规律。最后开展基于蒙特卡罗模拟的流场统计研究,通过分析雷诺数扰动对流动分离和转捩的影响,揭示雷诺数对高负荷LPT流动损失不确定性变化的作用机制。     

高超声速边界层转捩模型横流效应修正与应用

三维边界层在高超声速飞行器中普遍存在,转捩过程受到横流不稳定性的显著影响而出现复杂的转捩形态特征。为了提高转捩模型对高超声速三维边界层转捩现象的预测能力,在与SST湍流模型耦合求解的γ-Re_θt转捩模型基础上,提出了一种基于当地流场变量的横流效应修正方法。以椭圆锥外形为研究对象,开展了转捩模型横流效应修正方法的分析、验证及应用。数值模拟结果表明,椭圆锥外形高超声速边界层流动存在显著的横流特征,在模型中部产生横流转捩现象。构造的横流雷诺数判据能够有效表征三维边界层流动的横流效应,提出的转捩模型横流效应修正方法提高了横流转捩的预测能力,通过标定修正模型参数获得了与风洞试验数据和精细模拟接近的转捩形态特征。风洞试验及飞行试验数据验证表明,提出的转捩模型横流效应修正方法对高超声速三维边界层转捩预测具有较好的应用效果。