烧蚀后C-SiC复合材料隔离段内激波串长度预测

为了研究畸变气流影响下烧蚀后的C-SiC复合材料隔离段内激波串长度预测问题,设计了能够模拟进气道喉道流场畸变的隔离段直连台,并开展了马赫数2.5和3.5来流的两种不同烧蚀程度的C-SiC复合材料隔离段直连实验,获得了有效的纹影和压力数据,结合实验和理论分析,采用无量纲不平度hs/Dhy来表征烧蚀后C-SiC隔离段内壁面严重不规则粗糙特征,尝试在Waltrup公式中增加包含无量纲不平度的因子(1+4hs/Dhy),以此形成新的公式来预测烧蚀后C-SiC隔离段内激波串长度,预测精度较原来公式大幅提高,按照10%的误差带分析,修正后的Waltrup公式预测精度提高了33.3%。     

烧蚀后的C-SiC隔离段内流场精细测量试验

为了获得极度粗糙内壁面对激波串流动特性的影响规律,通过基于纳米粒子示踪的平面激光散射技术和高频动态压力测量技术测量了Ma2来流下烧蚀后的C-SiC隔离段中激波串流场结构,获得了激波串初始激波形态、激波后附面层发展形态以及激波串动态特性。结果表明,烧蚀后的C-SiC隔离段中激波串结构与光滑不锈钢隔离段相似。但是极度粗糙的内壁面深刻影响了近壁区流动,附面层增厚效应非常明显。前者激波串内的附面层比后者厚约50%,前者激波分叉点比后者更接近唇口约30%。极度粗糙的内壁面也提高了附面层的分形维数,加剧了拟序结构的破碎程度。烧蚀后的C-SiC隔离段中附面层的分形维数在1.548～1.649,比光滑不锈钢隔离段高6.7%～8.9%。烧蚀后的C-SiC隔离段极度粗糙内壁面对激波串振荡频率几乎没有影响。激波串前传过程中的振荡频率约20Hz。     

非对称来流下隔离段动态压力特性

为了探讨非对称来流下矩形隔离段内动态压力特性,用直联实验方式以及动态压力测量技术进行了试验,并用统计分析方法分析了数据。实验结果表明,入口来流的非对称性对上下壁面压力脉动大小以及传播平均速度有较大影响,而对频率无多大影响。激波串区域内壁面压力脉动向下游传播比向上游传播衰减得快。在隔离段出口超声速条件下,观测到的压力脉动频率主要在70 Hz以下,而在出口亚声速条件时,压力脉动的频率不仅有70Hz以下的部分,而且还有100~200 Hz之间的部分。     

考虑进气道喉道非均匀流场影响的隔离段直连试验

为了研究进气道喉道非均匀流场对隔离段流动特性的影响,设计了能模拟隔离段入射激波和非对称附面层的直连试验装置,并进行了马赫数3.0,3.4和3.8的吹风试验,完成了壁面静压、纹影和NPLS测量,获得了有效的试验数据。结果显示,唇口角对隔离段直连台的起动和耐反压能力影响非常大,随着唇口角度的增加,隔离段的极限反压降低,降低幅度达到22%~32%。与均匀来流相比,激波串很难稳在隔离段入口附近,造成激波串极易被推出隔离段。激波串形态受隔离段入射激波和肩部附近附面层状态的影响较大。NPLS测量系统观察到隔离段内部流场精细结构,如下壁面附面层的转捩现象、激波串的马赫盘、分离和滑移线等。     

非对称来流下带后掠斜楔的短隔离段实验研究

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短其长度,在前期后掠斜楔数值研究基础上,设计了一种带后掠斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口的下壁面上,距隔离段进口长度约15%处,在非对称的隔离段进口来流速度为1.98马赫数的条件下完成吹风实验.实验结果表明,隔离段添加后掠斜楔后的最大承受反压从来流静压的3.55倍上升到3.90倍,提高了9.89%.相同反压下,带后掠斜楔的短隔离段长度缩短了15%.相同长度的带后掠斜楔的隔离段出口平均总压恢复系数由基准隔离段的0.694上升到0.710,提高了2.3%.     

模拟Scramjet隔离段实际入口的直连试验设备设计试验验证

为了模拟进气道喉道非均匀流场对超燃冲压发动机隔离段流动特性的影响,针对典型超燃冲压发动机隔离段入口流场的马赫数分布要求,设计了隔离段直连试验设备。该设备整个通道采用扩张构型,在附面层发展段的下壁面采用加圆形凸台的方法加速附面层发展,并针对该设备进行了数值模拟和冷流试验。结果表明,该直连试验设备不仅能准确模拟隔离段实际入口流场(即入射激波和非对称附面层),模拟的主流区马赫数与目标值差值在0.02以内,还解决了传统的直连试验设备存在的启动问题。试验与数值模拟结果吻合较好,验证了该直连试验设备设计方法的可行性。     

畸变气流影响下C-SiC复合材料隔离段稳态特性试验研究

为了研究畸变气流影响下烧蚀后的C-SiC复合材料隔离段性能,开展了马赫数2.5来流下模拟进气道喉道流场畸变的隔离段直连试验,同时对比研究了光滑不锈钢材质和不同目数砂纸隔离段性能,获得了C-SiC复合材料、不锈钢材质和砂纸隔离段的性能数据。结果表明:(1)烧蚀后的C-SiC隔离段的耐反压能力与光滑不锈钢材质隔离段相比下降了11.7%,总压恢复系数下降了6.96%,与40目砂纸隔离段相比,烧蚀后的C-SiC材料隔离段的耐反压能力和总压恢复系数更低;(2)烧蚀后的C-SiC隔离段性能大幅下降的实质在于表面不平度过大导致激波串前参数的改变,不平度越大,激波串前马赫数就越低,动量损失厚度也就越大,隔离段性能也相应下降更多。     

一种带抽吸狭缝的新型短隔离段数值研究

为了缩短超燃冲压发动机隔离段长度以及提高它的耐反压能力,采用数值模拟方法研究了一种带抽吸狭缝的新型短隔离段,获得了隔离段的缩短程度以及耐反压能力提高的程度。结果表明,通过流向狭缝抽吸隔离段角流区内的低能附面层,可不降低隔离段耐反压能力而将其长度缩短30%左右。同一隔离段采用狭缝抽吸后,能够承受的最大反压从来流静压的3.46倍上升到3.74倍,提高了8%左右。合理的狭缝位置应在厚附面层一侧的隔离段前部角流区内,前倾角对隔离段性能的影响呈非线性特征,抽吸背压在亚临界范围时对隔离段性能的影响较明显,而在超临界范围时的影响则不明显。     

超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究

用非对称马赫1.98的隔离段直连实验研究了不同波形不同频率的脉动反压对隔离段内流动的影响。实验结果表明:隔离段能有效地隔离不同频率不同波形周期性反压脉动对上游进气道的影响;反压脉动以第二特征波速向上游传播,但在激波振荡区域,压力脉动主要受激波振荡的影响;厚附面层一侧的下壁面激波振荡区域内压力脉动前传时以指数规律衰减,衰减的程度随着频率和波形的改变而改变。而薄附面层的上壁面激波振荡区域内压力脉动前传时不是单调下降,而是波动的。     

一种缩短隔离段简易措施的实验研究

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短隔离段长度,设计了一种带等宽度平直斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口下壁面厚附面层一侧,在M1.98非对称的隔离段进口来流条件下完成吹风实验。实验结果表明,隔离段加等宽度平直斜楔后可在同样的反压下使激波串相对长度从13.87缩短至11.12,缩短了2.75。同样的隔离段加斜楔后能够承受的最大反压从来流静压的3.55倍上升到3.85倍,提高了8.45%左右。