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。     

吸气式高超声速飞行器内外流同时测力试验

为研究吸气式高超声速飞行器新型测力试验技术的可行性,在马赫数Ma=6、高度H=27km模拟飞行环境下开展了风洞试验。以轴对称吸气式高超声速飞行器无舵翼简化构型为研究对象,通过合理的试验系统设计解决内外流解耦关键技术,采用两个环式六分量天平在同一车次上测量模型内外流气动力载荷。试验结果表明:内外流气动力天平测量数据和全模气动力数据准确反映了内外流解耦、内外流窜流、进气道起动/不起动以及溢流影响等物理现象;从物理上实现了内外流解耦;内流气动力对全机气动性能贡献大;内外流解耦、进气道起动时,气动力数据准确、重复性好;窜流产生的传力属于内力。试验证明,同时测力试验技术可行,为解决内外流气动数据源于不同试验所致的不确定性问题提供了有效手段。     

高速进气道出口快速撤锥再起动特性研究

为了探寻出口快速撤锥过程对高速进气道起动性能的影响,对二元高速进气道出口快速撤锥过程开展了非定常数值仿真研究。对比了进气道在一个喘振周期中从不同状态点处进行快速撤锥所表现出的起动性能的差异。研究表明,当来流马赫数低于进气道的加速自起动马赫数时,对于高速进气道因出口堵锥节流所引起的不起动流态(喘振),从不同喘振状态开始撤锥,进气道表现出不同的起动特性,而进气道最终能否顺利建立起动流态与快速撤锥时机的选取有关。     

二元曲面可调进气道流量系数精确预测方法

为了满足二元曲面可调进气道模态转换马赫数范围(来流马赫数为2.2~3.2)的流量要求,针对唇口平移、转动和转动+平移三种调节方案,基于理论分析和基准进气道的流场,提出了一种流量系数精确预测方法,并通过数值计算进行验证且获得了进气道的总体性能。结果表明:调节后的进气道流量系数与预测值完全相等,而且无需多次试算,符合设计预期,可拓展应用于轴对称进气道。相对基准进气道,唇口前移时流量系数和压缩效率同时增加,来流马赫数为2.5时出口总压恢复系数相等而增压比增加了14.6%;在降低相同流量系数条件下,后移唇口使得增压比和压缩效率均降低,来流马赫数为2.5时出口总压恢复系数基本相等而增压比减小了12.9%,转动唇口使增压比进一步减小了9.1%,唇口后移方案性能更优。      

一种基于横向压力控制的前体流动特性分析

为了探究前体构型对进气道气动特性的影响,在相同的压缩角度及几何长度下,设计了升力体前体和类乘波体前体两种构型方案。就不同构型对前体/进气道气动特性的影响开展了三维数值模拟研究,并与进气道二维流动进行了对比分析。结果显示,相比于进气道二维流动,三维升力体和类乘波体前体构型在设计状态和不同来流攻角下均存在一定的横向压力梯度,导致进气道流量捕获能力降低,与二维流动差异较大,前者流量系数下降20.3%,后者下降9.0%。相比较而言,类乘波体前体在流量捕获能力及升阻比等方面性能更优。增大类乘波体前体宽度比和前缘角度,可以减小前体横向压力梯度,提高前体/进气道的流量捕获能力,前者提高了升阻比,而后者则降低了升阻比。     

超声速三维进气道内激波干扰的研究

为了为三维进气道的设计提供有用的分析数据,对高超声速和超声速来流下三维进气道内激波干扰进行了理论和数值研究。进气道模型选取"箱式"以及三面侧压进气道作为研究对象。理论分析采用了"空间降维"方法,即将进气道各个角落处的三维双楔定常激波干扰问题转换为二维非定常激波干扰问题,并利用激波动力学对其进行求解。数值验证方法利用2阶NND差分格式求解三维无粘欧拉方程,网格数量为1200多万,并采用MPI并行进行计算。该理论分析方法很好地对进气道各个角落处的激波干扰波系结构进行了判别,并得到了干扰区马赫构型三波点附近以及规则构型反射点附近的解析解,理论分析结果与数值模拟结果吻合较好。此外,针对进气道截面内各个流场区域的总压恢复系数以及压力、密度和温度进行了研究,并考虑了箱式进气道和三面侧壁压缩进气道内的流场区域的非均匀性,干扰区马赫杆后的总压损失要比其他区域高10%左右。通过研究表明,"空间降维"方法适用于进气道压缩部分,将为进气道的设计和性能评估提供一种理论分析手段。     

利用渗透边界模型分析三维内转式进气道启动性能

进气道抽吸区域一般包含大量抽吸孔,这些抽吸孔的网格前处理异常繁复、离散求解及CFD仿真困难。为避免这些问题,利用集成了渗透边界模型的数值仿真软件AHL3D模拟小孔抽吸,获得了小孔抽吸对三维内转式进气道Ma4~6内的启动性能的影响。结果表明:同等条件下,渗透边界与抽吸孔仿真的机体侧壁面压力曲线基本重合,且进气道喉部参数最大差别小于1.5%,说明利用渗透边界模型研究抽吸对进气道启动性能的影响具有可行性;边界层抽吸位于分离泡最高压力点附近时,可实现进气道宽马赫数范围(Ma4~5.5)的启动;Ma5条件下,开孔率在0.1左右,进气道实现启动,且启动后流量抽吸率低于1%;抽吸背压为6.5倍来流静压时,进气道实现启动,启动后流量损失几乎为0,压力分布规律与远场初始化得到的启动流场完全一致。     

进口水平投影可控的流线追踪内收缩进气道设计

为了满足两侧进气布局飞行器的乘波前体与进气道一体化设计要求,提出了一种进口水平投影可控的流线追踪内收缩进气道设计方法。基于马赫数分布可控的轴对称基准流场,在指定进口水平投影为椭圆的条件下,采用该方法设计了内收缩进气道并在设计点(Ma=5.4)和接力点(Ma=4.0)对其进行数值研究。结果表明,设计点时进气道都能保持基准流场的波系结构和沿程压力分布,无粘时可以全捕获自由来流,喉道性能与基准流场几乎相等。有粘条件下,设计点和接力点时进气道具有较高的压缩效率和良好的流量捕获能力,接力点的流量系数高达0.85。该设计方法为内收缩进气道与乘波前体的一体化设计提供了新途径。     

一种正向乘波前体设计方法初步研究

以定楔角乘波体设计方法为基础,研究了影响高超/超声速乘波体"乘波"的主要因素,给出了前体前缘实际气流压缩角的确定方法及影响因素,可知在相同的来流马赫数和压缩角δ下,随着前缘角θ和气流与前缘夹角α的增加,实际气流偏转角γ减小。据此,基于幂函数进气道前体构形,给出了前缘激波不脱体的限制条件及具体的判定方法,分析了乘波体典型几何特征参数对前缘激波不脱体的影响规律,结果显示在相同的来流马赫数和压缩角度下,增大前缘形状因子n,减小前体的长宽比L/W及增大前缘角均有利于激波不脱体。根据给出的前体几何参数对前缘激波脱体的影响规律曲线,对一种"前体几何外形构造+前缘激波附体条件限制"的正向前体乘波器工程设计方法进行了研究,给出了具体设计流程,并进行了初步的数值仿真验证,表明通过该方法设计的乘波前体流动特征与预期的结果吻合,说明文中所给出的激波附体条件及影响规律是可信的,乘波前体设计方法是可行的。     

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。