高超声速进气道/隔离段内流特性研究进展

作为超燃冲压发动机的增压部件,高超声速进气道/隔离段内部存在一系列的复杂流动现象,本文概述了该领域的相关研究进展。高超声速进气道/隔离段内存在多种激波/边界层干扰现象,并受到膨胀波系等的干扰,使其特性偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的三维干扰特征、多波组合干扰特征,并在通道内诱导出了显著的二次流,特别是角区旋涡流动。隔离段内存在复杂的激波和膨胀波结构,这些背景波系在隔离段内不断反射,形成显著的流向和横向参数间断。当出口流道发生几何或热力壅塞时,隔离段内会出现更为复杂的激波串现象。激波串和上游背景波系、角涡相干,呈现出明显的偏向性,并在前移过程中可能会出现两种特殊的动态前移过程。尽管最近对高超声速进气道/隔离段内流特性的认识得到了极大地提高,但仍然有较多的基础问题亟待解决。     

超声速可调进气道内流双解现象及其节流特性

为研究超声速可调进气道喉道调节过程中的内流结构及节流特性，设计了工作马赫数范围为0～4的超声速可调进气道，在来流马赫数为2.9的风洞中借助高速纹影观测系统和动态压力测量系统开展了试验研究。结果表明当内收缩比（ICR）为1.79时，进气道通流流场存在设计和非设计流态的内流双解现象。其中，在设计流态下进气道内通道中的波系结构正常建立；而在非设计流态下进气道内收缩段中存在局部分离诱导的复杂波系结构，导致其整体压升高于设计流态，并存在宽频、低频的小幅振荡。此外设计和非设计流态下进气道的下游节流性能相当，其临界堵塞度分别为42.4%和41.7%，临界压比分别为15.8和16.0。在两类流态的下游节流过程中扰动均以结尾斜激波串的形式向上游传播，且临界状态下激波串头波刚好位于喉道附近，但两类流态的结尾激波串在空间分布特征和振荡特性上均存在明显区别。     

采用非均匀反弹特性壁面的粒子分离器研究

为了在不改变流道几何型面的基础上实现对较大粒径砂尘轨迹的有效组织,借助数值仿真技术,对一类典型无旋式惯性粒子分离器流道内两相流场展开了模拟研究。通过对典型工况下粒子分离器内砂尘轨迹的追踪和细致分析,首先获得了壁面反弹主导下的较大粒径砂尘的三类基本运动模式及其主要特征。而后以此为基础,充分利用2024铝合金、7020橡胶以及45钢3种典型壁面在反弹特性上的差异,同时结合原流道型面,完成了一种基于非均匀壁面的粒子分离器方案设计。计算表明:通过对鼓包迎风面等关键区域的壁面材质的特殊设计,可在不降低气动性能的前提下实现AC砂及C砂分离效率的显著提升,其增幅分别为6.0%和13.7%。      

直缝式等离子体合成射流激励器特性的实验研究

为了研究一种新型的直缝式等离子体合成射流激励器,采用高速纹影技术和电参数测量的方法,对激励器的瞬态流场特性和放电特性进行了研究。实验结果表明:在相同出口面积的情况下,直缝式等离子体合成射流激励器的初始射流速度是直孔式激励器的1.4倍。直缝式激励器速度衰减更快,喷气时间更短,和外部气流的动量交换更加迅速。实验中首次对直缝激励器的三维流场进行描述及分析,发现其前驱激波及射流形态具有更好的平面度,存在较大的均匀区。直缝式等离子体合成射流激励器在提高工作频率、扩大流动控制区间等方面具有一定优势。     

前体边界层状态对高超声速进气道流动结构及性能的影响

采用CFD方法研究了前体边界层状态对轴对称高超声速进气道的波系结构、激波/边界层干扰特性以及流量捕获能力、总压恢复系数等的影响,获得了不同马赫数下进气道性能参数随一级锥边界层强制转捩位置的变化规律,并对采用二维粗糙体作为强制转捩措施给流场所带来的干扰进行了分析,研究中还对比了具体进气道设计方案间的差别.     

直升机/粒子分离器一体化流场特性:第一部分前进比的影响

针对典型布局条件下直升机/粒子分离器的一体化流动特性进行了仿真研究.利用相关试验数据对仿真方法的有效性进行了检验,将整体式粒子分离器安装至类"阿帕奇"直升机外型上,形成了一种典型直升机/粒子分离器布局方案,并分析了其在不同前进比下的一体化流场特性.结果表明:较高前进比下,在粒子分离器进口上游的齿轮箱外罩上出现了复杂的三维流动分离,使得粒子分离器在较不均匀的进口来流条件下工作.与独立粒子分离器状态相比,一体化条件下粒子分离器主流出口、扫气流出口的总压损失均有所加大,增幅分别为1%和8%.     

亚声速外流与流体振荡器射流流场干扰研究

为了探究不同外流马赫数条件下,流体振荡器出口振荡射流与外流耦合的流动特性,通过非定常仿真方法研究了流体振荡器入口条件为落压比(Nozzle pressure ratio,NPR)为1.5、3,外流马赫数分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8时的三维瞬态流场,分析了外流对流体振荡器内部振荡特性的影响,以及流体振荡器出口振荡射流与外流相互作用时的下游空间流场特性。研究结果表明:NPR=1.5时,流体振荡器出口二喉道处均为亚声速,外流扰动会改变流体振荡器的内部振荡频率;NPR=3时,流体振荡器出口二喉道处存在声速截面,从而可有效隔离外流扰动。对于NPR=3,当外流Ma=0.2时,下游流场存在两对上下旋向相反的旋涡,上方为振荡射流所诱导的流向涡对,下方为马蹄涡对;当外流赫数大于0.4时,下游空间流场只存在一对流向旋涡,且旋涡可以有效排移截面中心处的低能流,使边界层的速度剖面更加饱满,形状因子变小;随着外流马赫数的增加,射流与外流的动量比减小,射流穿透深度减小,射流的展向影响范围也随之减小。     

侧板边界层对正激波/边界层干扰特性影响的数值模拟研究

为了研究外压式进气道处于临界工况时结尾正激波同时与压缩面和侧板上边界层的相互干扰,专门设计了三组具有不同前伸长度侧板的简化构型作为研究对象,利用数值模拟手段评估了侧板边界层厚度对正激波/边界层干扰特性的影响。仿真结果表明,当没有侧板边界层参与干扰时流动呈现较好的准二维特性,但当侧板边界层参与干扰后将形成较强的角区干扰结构,该角区三维干扰结构与对称面上的准二维干扰结构存在此消彼长的关系。此外,波系的空间形态也将由“准二维λ波”结构变为“双λ波+角区压缩波”结构,波系形态的改变则进一步导致壁面回流区分布以及摩擦力线拓扑结构变得更加复杂。     

不同波系配置的鼓包压缩面流动特性实验研究

为探究波系配置对鼓包压缩面流动特性的影响,通过纹影和基于纳米粒子示踪的平面激光散射系统(NPLS)观测以及压力测量等实验手段,研究了三种不同波系配置的鼓包压缩面诱导的复杂流动,获得了鼓包压缩面上的压力分布、边界层分布特性以及鼓包压缩面上的精细流场结构。结果表明:三种不同波系配置的鼓包压缩面均具有边界层排移能力,在鼓包对称面上,沿流向边界层不断降低,边界层不断向两侧排移,在鼓包侧面形成堆积。尽管如此,压缩过程的不同,边界层的排移过程存在一定差异,对于单锥鼓包,其最先将低能边界层排移掉,而双锥和等熵锥鼓包略为迟缓,但三种鼓包末端的边界层厚度大体一致。此外,三种鼓包压缩面对称面上前中部压力梯度存在较大差异,但鼓包末端具有相同的压力分布。因此,在保证总偏转角一致的情况下,具体选用哪种鼓包配波方式对于边界层排移、增压能力而言没有显著的差异。     

侧滑角对鼓包诱导曲面激波/边界层干扰特性的影响

利用仿真方法对侧滑条件下设计马赫数为2的三维壁面鼓包诱导流场进行了研究。结果表明:随着侧滑角的增大,迎风面的展向压力梯度增大,鼓包表面高压中心向迎风面偏移使得迎风面前缘旋涡强度增强,迎风侧出口总压恢复损失,最终导致鼓包下游流场畸变增加。同时鼓包表面流动拓扑结构表明,随着侧滑角的增加，迎风面分离区的准锥形相似特性增强,而背风面由准锥形相似逐渐发展为准柱形相似。