超燃冲压发动机S弯隔离段激波串数值研究

S弯隔离段可以解决进气道出口和燃烧室入口处在不同水平高度的飞行器在结构设计上的困难.为考察来流马赫数为2.0时S弯构型对隔离段流场结构和性能参数的影响,在不同边界条件下对3种不同转弯方式的S弯隔离段和等直隔离段进行数值模拟.结果表明,在流场结构方面,S弯隔离段入口拐角处出现斜激波/膨胀波的相交与反射,上、下壁面分离区交替扩大、缩小.在抗反压性能方面,中心对称型和后部转弯较急型隔离段性能稍逊于等直隔离段,前部转弯较急型隔离段性能与等直隔离段相当.在总压恢复性能方面,高反压时前部转弯较急型隔离段性能最好,但在低反压时流场存在剧烈振荡,总压恢复性能最差.因此工作在高反压条件下的隔离段推荐采用前部转弯较急型,而低反压条件下则采用另外两种比较合适.入口边界层厚度对S弯隔离段流场结构和性能的影响有限.     

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.      

弯曲变截面隔离段参数化设计与优化

为了提高弯曲变截面隔离段的气动性能,发展了基于几何融合的参数化设计与优化方法。为了丰富几何融合方法产生构型的种类,提出了基于几何长度的新型离散化方法。为满足偏置要求及灵活性要求,中心线设计时选用了B样条曲线。利用优化软件Isight内置全局算法,针对某隔离段,以弯曲隔离段出口的总压恢复系数为目标进行了优化求解。结果表明:优化构型相对于原始构型,在给定相同来流入口情况下总压恢复系数提高了12.3%。     

来流参数对混合管道流场结构的影响

为了探究来流参数对混合管道流场结构的影响,通过试验和数值计算方法研究了在不同马赫数、静压来流参数条件下的背景流场和激波串流场结构。试验采用高速纹影和压力测量设备分别进行流场的观察和测量,采用喷管支板结构将来流分为上侧二次流、一次流和下侧二次流。试验与数值结果均表明,背景流场中的背景波系、混合层均由支板后缘处产生,背景波系在壁面间反射并与混合层发生干扰作用,背景流场结构较为复杂。一、二次流的静压关系影响混合层的初始发展方向,导致θ从-9°～7°变化,而马赫数决定起始激波与混合层的夹角。依据前缘激波的反射类型、亚声速区面积等特征,混合管道的激波串流场可以分为规则反射型、临界反射型、正向马赫反射型和反向马赫反射型四种典型结构。临界反射型的波后流场在垂直流动方向上具有"亚-超-亚-超"间隔流动的特点。     

RBCC混合室激波串前传运动研究

RBCC中火箭出口流动和冲压流道的空气在发动机混合室中相互作用,形成激波-边界层、激波-混合层等多种干扰耦合的复杂背景流场。为了深入研究发动机工作室混合室内激波串的运动规律,采用非定常数值计算的方法对激波串在混合室中的前传过程进行了研究。计算结果表明,随着反压的升高,激波串的前传过程包含4个运动周期,每个运动周期中均包含缓慢前传和"突跃"前传两种运动模式;激波串结构呈现"弹簧"的特点,在第二运动周期中,激波串前缘的流向长度在16.5mm～21mm周期性变化。进一步分析发现,背景波系在壁面产生的逆压梯度是"突跃"运动产生的主要原因,且"突跃"前传的距离和逆压梯度峰值成正相关;激波串前缘分离激波和反射激波强度的变化引起了激波串前缘激波形态的周期性变化,进而导致激波串在前传运动中呈现类似"弹簧"的伸缩特点。     

超声速边界层抽吸孔隙内流场结构分类

由于流体处于超声速和亚声速状态时,其性能有着显著的差异,这种现象同样存在于超声速边界层抽吸孔隙内。为了对超声速边界层抽吸孔隙内流场结构进行分类,主要通过数值计算的方法,对超声速边界层抽吸孔隙内流体的流动状态以及不同流动状态时抽吸孔隙内流场结构对抽吸腔反压的响应特点进行了研究,同时也对数值计算方法做了试验验证。数值计算采用基于有限体积法的二阶迎风格式来离散二维可压N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,通过改变抽吸槽宽度D的方法来实现抽吸槽内流体处于不同的流动状态。根据抽吸槽内流体的流动状态的不同,将超声速边界层抽吸分为亚声速型,临界声速型和超声速型。分别对不同抽吸腔反压时三种抽吸类型流场结构变化特点以及声速流量系数Q变化特点进行了分析,发现不同抽吸类型对抽吸腔反压的响应规律存在显著差异。当δ/D8.6时,即对于亚声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而线性增加,且Q随p_c/p_0减小而减小。当δ/D8.6时,即对于超声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而迅速增加。另外,随p_c/p_0增加,Q先保持不变,当p_c/p_0增加到0.225时,Q开始减小,并且当p_c/p_0增加至0.675后,Q减小速率发生了突变。分析原因在于超声速型抽吸,抽吸腔反压向抽吸槽内的传递受到抽吸槽内分离区以及激波的阻碍,而对于亚声速型抽吸,抽吸腔反压能够直接传递至抽吸槽内,进而影响边界层抽吸。     

定常流场中二维激波反射迟滞现象研究进展

为深入理解超声速飞行器和动力系统流场中存在的激波反射迟滞现象,对近年来有关定常激波反射迟滞文献资料进行了调研和总结。回顾了定常激波反射迟滞现象的提出与证实过程,介绍了改变入射激波形状、改变下游波系结构等可引起激波反射出现迟滞的实现方式,并对粘性效应、三维效应和动态效应等影响激波反射迟滞现象的因素进行了探讨,对激波反射迟滞现象的研究热点和难点问题进行了分析与总结。     

脉冲风洞中进气道起动过程试验研究

在马赫8炮风洞中开展了不同初始真空压力条件下风洞喷管启动过程对侧压进气道启动的影响研究。通过调节进气道几何收缩比和风洞运行的初始真空压力,完成了收缩比分别为2,4.25,5.56,初始真空压力变化范围为60 Pa~3 kPa的多种工况测压、纹影实验。实验数据表明,当收缩比较小时,即使初始真空压力很高,甚至严重影响了风洞的有效运行时间,进气道也能够启动;当进气道收缩比较大时,炮风洞喷管启动过程会影响进气道启动,即进气道是否启动受风洞初始真空压力变化而十分敏感。     

预处理方法在化学非平衡流场数值模拟中的应用

将预处理方法发展应用于化学非平衡流场的数值模拟中。采用有限差分,LU-SGS隐式方法对二维可压化学非平衡控制方程进行了耦合求解,对化学源项和无粘项隐式处理,粘性项则采用显式。通过化学反应剪切层和激波点火的算例表明,所采用的数值方法能够有效求解化学非平衡流场,证明了本算法的可行性,为下一步的工程应用奠定了基础。     

等截面矩形隔离段内流场的三维数值模拟

针对三维矩形等截面隔离段中由激波／附面层干扰诱导的复杂流场，采用有限体积方法，OC－TVD格式结合B－L代数湍流模型隐式求解了三维雷诺平均N－S方程，数值模拟了三维流场内复杂的激波串和旋涡结构，计算结果表明所采用的数值方法能够很好地捕捉隔离段内流场的复杂流动现象。