侧风条件下短舱进气道地面涡数值模拟

为了研究起飞状态下进气道地面涡的形成与发展规律,针对缩比的短舱进气道模型进行了3维数值仿真,分析了来流速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的特点以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:侧风来流速度越低,越容易形成地面涡,随着侧风来流速度的增高,地面涡会消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,地面涡的环量越大;地面涡的形成会增大进气道出口截面的流场畸变程度,短舱进气道距地面高度对畸变的影响很小,畸变主要受侧风来流速度的影响。最后给出了侧风条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

侧风条件下进气道流场及地面吸入涡特征研究

采用数值模拟与试验方法对大涵道比发动机进气道缩比模型在地面侧风工况下的流场特性进行了研究分析,同时考虑了侧风与地面吸入涡对进气道流场的影响,以及侧风对吸入涡强度的影响,在此基础上解释并分析了侧风对进气道流场的双重影响作用。研究结果发现:根据吸入涡在侧风影响下的生成特性,以及吸入涡和侧风因素对进气道流场作用程度的不同,吸入涡从稳定状态到被侧风吹除的过程中存在三个阶段,吹除起始阶段、迅速吹除阶段和吹除完成阶段,并且发动机进气道吸入速度越大,对应这一过程的起始吹除速度和完全吹除速度越大,但相应的速度比基本不变;在吸入涡被完全吹除之前,侧风通过对吸入涡强度的影响对进气道流场产生双重作用,在吹除起始阶段和吹除完成阶段,侧风的影响对进气道流场起主导作用,与无地面工况类似,进气畸变随着侧风速度的增大而增大,在迅速吹除阶段,吸入涡的影响对进气道流场起主导作用,进气畸变随着侧风速度的增大而减小。      

侧风条件下地面涡来源和气动特性的数值研究

为了研究侧风条件下地面涡的涡量源和地面涡的气动特性,选取缩比进气道并对侧风条件下的流场进行了数值模拟。结果表明:90°侧风条件下,尾涡和环境涡量都是地面涡的重要来源,即使不存在环境涡量,尾涡仍然可以单独形成地面涡,尾涡-地面涡流动模型能够很好地解释这一现象。地面涡涡量随来流速度的增加先增大后减小,临界速度比随离地间隙的增大而增大。离地间隙增大一倍,临界速度比增大65%,地面涡涡量峰值减小30%。受到地面涡本身以及流动分离的影响,进气道的总压损失随着来流速度比的减小而增大。      

转子涡动对旋转冲压转子进气道起动及性能的影响

为了获取转子涡动作用下旋转冲压转子进气道起动及性能的变化规律,对旋转冲压转子涡动时压缩进气道的内部流场进行了数值仿真,分析了转子不同涡动幅值条件下旋转冲压转子进气道的起动转速及性能变化。研究结果表明,转子涡动对旋转冲压转子进气道起动及性能具有显著的影响。旋转冲压转子进气道的稳定工作范围随着转子涡动幅值的增大而逐渐减小。转子涡动幅值对旋转冲压转子进气道性能的影响存在极值点。当涡动幅值小于该极值点e=100μm时,进气道的流动性能良好。旋转冲压转子在定工况运行时,旋转冲压转子进气道流动稳定性随着转子涡动幅值的减小而增强。     

滑跑条件下短舱进气道地面涡数值仿真

针对滑跑条件下短舱进气道地面涡进行了三维数值仿真研究,分析了来流风速、滑跑速度和短舱进气道距地面高度对地面涡的影响,得到了地面涡的变化规律以及对进气道流场品质的影响。研究结果表明:随着滑跑速度的增加,地面涡会向下游移动,当滑跑速度达到一定值时,地面涡消失;短舱进气道距地面高度越低,越容易形成地面涡,随着短舱进气道距地面高度的增加,地面涡向下游移动;在风速一定的情况下,随着滑跑速度的增加,地面涡强度先增加后减弱。文中给出了滑跑条件下地面涡的分界线方程,可作为是否存在地面涡的判断依据。     

双旁侧无隔道超声速进气道参数化设计及流动分析

针对双旁侧无隔道超声速进气道中S弯流道内部流向涡产生的大畸变问题，提出了参数化设计技术，并基于典型飞机前体设计进气道构型，利用Liutex涡识别技术分析S弯流道内部的流动机理，并探索提升进气道出口流场品质的设计技术。研究结果表明：Liutex涡识别理论在进气道流场中能够有效识别流向涡的大小和强度；为抑制流向涡的产生和发展，降低出口畸变，进气道入口处上唇口一侧流道应采用较小的曲率，下唇口一侧则需要增大曲率；S弯流道末端应增大扭曲程度以将流向涡推至进气道出口中间区域。本文研究可有效抑制无隔道超声速进气道出口畸变，为控制S弯流道内部流向涡结构探索新型设计方法。     

涡破碎片控制尖脊进气道总压畸变的试验研究

地面静止状态下，在Caret进气道进口下唇口外侧和外唇口下侧角落处存在一个较强的顺时针旋转大涡，涡破碎片控制该进气道总压畸变，即利用涡破碎片产生的反向旋转旋涡来抵消或减弱该旋涡。研究了涡破碎片分别安装在外唇口下侧和下唇口外侧时，几何尺寸、安装位置、以及安装角对Caret进气道出口流场总压畸变影响趋势。研究表明，安装在外唇口下侧的涡破碎片能改善总压畸变流场并可使Caret进气道在较小流量下使稳态总压畸变值减小17％，而安装在下唇口外侧的涡破碎片对畸变流场影响不大。     

侧风条件下短舱进气道地面涡数值模拟

通过数值模拟方法,对侧风条件下短舱进气道地面涡的形成及发展情况进行了研究.通过改变侧风风速的大小,分析了侧风风速大小对地面涡形成的影响及其对进气道出口截面流场的影响.结果表明,侧风条件下,短舱进气道易形成地面涡,且伴随有尾涡的出现;随着风速大小的增加,地面涡的强度先增大后减小,地面涡的位置、结构也会发生变化;所形成的地...     

蛇形进气道涡控设计研究

针对传统概念设计的蛇形进气道畸变大、总压恢复系数较低以及相应流场控制技术存在局限性等缺点,对典型蛇形进气道内通道二次流的涡动力学形成及其对气流分离影响分析的基础上,提出了蛇形进气道涡控设计概念,并利用数值仿真进行了初步验证.仿真结果表明:与原型方案相比,蛇形进气道涡控设计方案成功抑制了上壁面大范围的气流分离,巡航状态畸...     

利用边条涡抑制Y形进气道流场畸变

已用于飞机外流流场控制的边条涡技术被首次引入内流场的控制,抑制进气道出口流场畸变,改善进发匹配。针对某型飞机的 Y形进气道,有 3对边条涡片被加装在进气道内,与通常的涡流发生器不同的是,这些涡片被设计来控制整个进气道流场而不是仅仅改善局部的附面层。大量的实验结果证实,这种流场控制措施的改善效果显著,某型飞机的 Y形进气道在亚、跨和超声速等各种飞行速度,及不同攻角、侧滑角和开关放气门等飞行条件下,其出口流场畸变均减小,尤其是原流场畸变较大的情况下改善更加明显。     

涡流发生器对Bump进气道性能影响数值研究

以一种Bump进气道为研究对象,通过在S弯扩压段入口处布置涡流发生器来控制流动分离,减小出口总压畸变。采用CFD数值计算软件对Bump进气道在设计点(Ma=2.0)与非设计点(Ma=1.8,0.8)工况下内、外流场进行计算,分析不同涡流发生器方案的效果。计算结果表明:在设计点工况下,安装涡流发生器能够抑制流动分离,改善进气道流场品质,减小出口总压畸变;在一些非设计点工况下会增大Bump进气道出口总压畸变;Bump进气道总压损失有所增大,不同叶片间距的涡流发生器对总压损失的影响相当。      

亚/超燃混合发动机模块间界面参数设计及数值仿真

对轴对称双燃烧室冲压发动机亚/超燃模块间界面进行了初步设计研究.模拟了两股平行气流掺混的冷态流场, 重点研究了台阶高度、台阶几何形状、亚燃模块流量比例等设计参数对掺混性能的影响规律, 并提出了参数选择建议.在此基础上, 给出了一个性能较优的设计方案, 性能如下:马赫数为4时掺混段出口马赫数为1.48, 总压恢复系数为0.765, 增压比为17.71, 温升比为4.05;马赫数为6时掺混段出口马赫数为2.08, 总压恢复系数为0.502, 增压比为28.03, 温升比为4.67.      

带支板轴对称弯曲管道的流动特性

以一种带支板的轴对称弯曲管道为研究对象,通过试验与仿真手段,获得了有无支板时的内部流场特性,并探讨了尾迹流特性以及出口马赫数的影响规律.研究结果表明:试验数据与仿真结果在趋势和数值上均吻合良好.气流在弯曲管道中先减速后加速,并在"一弯"中心体侧和"二弯"外罩侧附近形成局部低压区;支板对弯曲管道的内部流动结构影响显著,诱导了尾迹流和旋涡的形成,尾迹区附近不同径向位置处的总压分布规律呈现明显差异;此外,随出口马赫数的增大,弯曲管道壁面沿程静压和出口总压恢复系数均降低,而"一弯"和"二弯"处的逆压力梯度增大,故发生边界层分离的风险性增大.      

弯曲混合管引射系统气动特性实验研究

对波瓣喷管和圆喷管与弯曲混合管匹配的引射系统内流气动特性进行了实验研究, 结果表明:(1)与圆喷管相比, 波瓣喷管可以将系统的引射能力提高约100%, 混合管出口的峰值温度降低近10%, 而两者的总压损失几乎是一致的;(2)因弯曲引起的二次流及主流冲击弯曲壁面的扩散影响, 混合管椭圆形排气口的长轴方向, 尾缘温度明显地高于前缘温度;而在短轴方向, 温度分布呈马鞍形状。      

Experimental investigation of flow and distortion mitigation by mechanical vortex generators in a coupled serpentine inlet-turbofan engine system

The performance of compact, aggressive ducts in advanced propulsion systems is limited by the internal flow separation coupled with the formation of secondary counter-rotating vortices that give rise to intensive flow distortions at the duct exit. An experimental investigation was conducted to study the flow field and passive suppression of flow separation and Aerodynamic Interface Plane (AIP) distortion in a serpentine air inlet duct. Tests were performed by a turbofan engine at several Engine Operating Points (EOPs) from 56% (idle) to 100% (max). A large total pressure deficit region arose at the upper part of the AIP, which was associated with the upper surface flow separation. Using the new mechanical S-type vortex generators in two longitudinal positions (VG1 and VG2), separation and loss were diminished at the upper part of the duct and AIP. The VG2 arrangement attained the maximum reductions in distortion coefficients which were 73.72%, 60.7% and 37.8% in DC(90°), DC(60°) and ΔP_C/P metrics, respectively. In the next step of the study, some unsteady aspects of the flow field were analyzed inside the duct. The separation onset and reattachment points were determined by the standard deviation of static pressure on the upper surface. The AIP spectral distribution showed that the boundary of low pressure and high pressure recovery regions was dominated by the maximum fluctuations. Furthermore, the PSD diagram of several probes at AIP revealed the vortex shedding frequency and its higher harmonics at separation region. The energy content of distinct unsteady spectral features in the bare configuration was significantly reduced using VGs, which showed the improvement of flow at the duct exit.     

二维弯曲等截面管道中的激波串特性研究

利用Carroll的试验数据验证了数值方法的有效性之后,对二维等截面弯曲管道中激波串的特性进行了数值模拟试验,研究了管道弯曲对激波串的结构与特征长度、壁面沿程静压分布、出口截面马赫数与总压恢复、反压特性等的影响,研究中考虑了不同的进口马赫数和边界层厚度。结果表明,管道弯曲对流动的对称性有着明显影响,当马赫数较高时(如Ma₀=2.45)合适程度的管道弯曲有利改善直管道已有的流动不对称,使激波串长度缩短。管道弯曲能够有效抑制出口压力变化所导致的出口截面马赫数的大幅波动,考虑到低压比时(出口Ma_e>1)直、弯管道之间总压恢复系数存在明显差距,而当压比较高时(出口Ma_e<1)两者相当接近,因此亚燃发动机的超声速扩压器可适当使用大曲率以缩短管道的轴向长度。另外,鉴于弯曲管道与直管道内激波串长度之间的明显差异,已有的基于直管道的激波串长度经验公式不能很好地适用于弯曲管道。     

带前输出轴直升机进气道侧滑特性

本文针对带有前输出轴直升机进气道结构特点,以实验的方法,在直升机飞行包线范围内,着重研究在侧滑角从0°到135°状态下的直升机进气道流场特性,测量分析了沿程静压分布、进气道出口截面流场畸变指数、总压恢复系数等进气道性能参数。研究结果表明,这类进气道在各种侧滑状态下总压恢复系数较高,且与侧滑角的关系不大。但是进气道内气流分离的区域和出口截面流场畸变指数却与侧滑角的大小密切相关。其中在侧滑角为90°时,进气道出口截面流场品质最佳。      

定几何混压式轴对称超声速进气道气动特性数值仿真和实验验证

 针对一种Ma4一级定几何混压式超声速轴对称进气道进行了数值仿真研究,并和风洞实验结果进行对照,验证了本文所采用计算方法的可靠性。利用CFD方法获得了进气道激波系分布、内通道流场分布和沿程静压分布并对Ma4下稳定亚临界状态进行了分析。研究结果表明：（1）超临界状态下,随着进气道出口反压的提高,结尾激波系向喉道方向移动,结尾激波损失减小,总压恢复系数提高;（2）攻角的增加对进气道的迎风侧和背风侧影响增大,结尾激波系由对称分布向一边倾斜的趋势增大,背风侧的承受反压能力下降,总压恢复系数随着下降;（3）随着来流马赫数的增加,激波损失加大,总压恢复系数随之下降,同时由于激波角变小,激波也越靠近外唇罩,溢流减小,流量系数增大,在激波贴口后流量系数基本保持不变;（4）通道内的静压分布曲线清晰的反映了内通道沿程激波系情况;（5）在大于贴口Ma数工作时,结尾激波系被推出唇口的情况下,由于滑流层作用出现一个类似外压缩式的气动通道从而存在稳定的亚临界状态。     

波瓣喷管-狭长出口弯曲混合管引射混合特性分析

针对波瓣喷管和具有狭长出口的弯曲混合管所构成的引射-混合系统,进行了引射和混合特性的实验和数值研究,获得了主流和引射气流相互混合过程中的速度场、压力场和温度场的相关信息,以及表征引射-混合系统总体性能的引射系数和总压恢复系数等结果,对比表明数值计算和实验数据的相对误差在15%以内。由于弯曲混合管的出口狭长,弯曲混合管的混合流动受到流向旋涡和弯管二次流的共同影响,形成了有别于常规椭圆形出口截面混合管的一些独特的流动现象和特征。      

高超声速混合模块冲压发动机亚燃模块进气道的高焓风洞试验研究

 对适用于轴对称混合模块发动机的亚燃模块进气道(工作马赫数范围3～6)进行了马赫6级高焓风洞试验研究,获得了进气道在不同反压下的性能参数及沿程静压分布。实验数据显示,进气道的流量系数在0.98以上,喉道截面的总压恢复系数为0.52,平均马赫数为2.68,临界状态附近进气道出口平均马赫数低达0.432,对应的总压恢复系数为0.171,反压为自由流静压的267.56倍,为亚燃室的高效、稳定燃烧及亚/超燃室的匹配工作创造了良好的条件。当进气道处于超声速通流状态时,内通道上、下壁面静压沿流向大幅波动且波峰/波谷互相交错,通道的弯曲使得上壁面静压整体比下壁面要高。与等截面管道的反压特性不同,该进气道三维弯曲扩张管道出口的平均马赫数随着反压的增加单调下降,总压恢复系数则随反压的增加先下降后缓慢增加,直至进气道喘振。另外,研究中来流总压由3.0 MPa变化到5.5 MPa,进气道的性能参数及内部流态无明显变化。