屏蔽式总温探针流动与换热分析

采用定常/非定常数值模拟方法研究了某屏蔽式总温探针的流动与换热特点,讨论了来流马赫数、进出口面积比对其稳态误差的影响,给出了不同条件下屏蔽式总温探针稳态误差的变化规律。结果表明,在来流马赫数0.5条件下,与仅考虑对流换热相比,导热与辐射使屏蔽罩表面最高温度降低约19K;气流在屏蔽室的头部和中部区域形成两个主要的涡区,其中中部的肾型涡尺度最大,是屏蔽室里的主控涡;在高来流马赫数条件下,速度误差和导热误差对进出口面积比的变化非常敏感,总误差随进出口面积比的增大而迅速增大;对于本文研究的探针,在Ma=0.6时,出口半径从1.5mm减小至0.5mm,探针总稳态误差将增大超过12K。     

屏蔽式总温热电偶的稳态误差分析及改型设计

针对航空发动机排气温度高精度测试的需求,采用流热耦合的数值模拟方法研究了某型屏蔽式热电偶在马赫数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6五种工况下的速度误差、导热误差、辐射误差的大小和变化趋势,以及偶丝长径比、屏蔽罩进出口面积比对屏蔽式热电偶稳态误差的影响规律。结果表明:在马赫数小于0.3工况下,辐射误差占总误差的比例最高;而在马赫数为0.6工况下,导热误差成为影响测温精度的最主要因素;合理地增加偶丝长径比能显著地降低导热误差,减小进出口面积比值会使速度误差增大辐射误差减少;因此,存在最佳的进出口面积比使得总稳态误差最小。最后选取了偶丝长径比为12,屏蔽罩进出口面积比为6对原屏蔽式热电偶进行了改型设计,使该屏蔽式热电偶的总稳态误差降低50%以上。      

高超声速风洞进气道流量系数测量精度影响因素研究

进气道是飞行器动力装置的重要组成部分,准确测量进气道流量系数是进气道风洞试验的重要内容.对来流马赫数Ma =4.5,5.0和6.0状态下皮托管进气道开展流量系数测量研究,通过对比理论值和实测值,获取各状态流量系数修正系数.试验结果表明,随着来流马赫数增加,进气道流量系数与理论值偏差较明显,并逐渐增大.超声速风洞试验通常认为测量截面总温与来流总温相等,通过对测量截面总温与来流总温偏差以及测量截面流场畸变情况的分析,判断测量偏差主要是由测量截面总温等于来流总温的假设导致的.在高超声速风洞试验中,由于模型壁面热交换的存在,测量截面总温低于来流总温,进气道流量系数测量时需要进行总温修正,以提高流量测量精度.     

叶型受感部设计及结构优化

设计了用于航空发动机压气机级间参数测量的叶型受感部。通过风洞校准试验,得出在不同来流速度条件下,压力叶型受感部的不敏感角范围及总压测量误差和温度叶型受感部的总温测量误差,确定了影响叶型受感部测量准确度的主要因素。在试验结果的基础上,对叶型受感部结构进行了优化。     

基于正交原理与仿真的单屏蔽温度传感器误差影响因素研究

为了辨析相关影响因素对单屏蔽温度传感器测温误差的影响程度,以便为传感器的优化设计提供必要信息,本文介绍了马赫数、来流总温、来流压力、环境壁温、传感器耙身温度等五个可能的影响因素。借鉴正交原理的思想完成各因素条件值选择,采用数值仿真的方法获取了所选传感器的误差信息,完成了误差数据的极差与方差分析,排列出了所举误差影响因素的主次关系,并得出总温与压力对测温误差有显著影响的结论。     

基于Zukauskas关系式的预冷发动机进气道流动特性研究

为了研究预冷发动机进气道流动特性，以二维变几何轴对称进气道为研究对象，利用Zukauskas横掠管束绕流关系式，对进气道流场展开了数值仿真研究，探究预冷器的冷却效应及换热管直径对进气道流场、性能的影响。结果表明：Zukauskas关系式能较好地预测气流在预冷器管束间的流动损失；经过预冷后，涡轮通道总温大幅下降，但总温分布不均匀，温度梯度明显，对流换热对上游流体总温产生的影响很小；在Ma∞=2～5飞行工况下，换热功率随着飞行马赫数的增加而增大，涡轮通道的出口总温较预冷前降低了22%～60%，出口马赫数降低了17%～51%，反压比增加了10%～26%，总压恢复系数增加了3%～8%；当预冷器的管径从1 mm增大至2.5 mm时，涡轮通道出口速度降低了16.5%，反压比降低了1%，总压恢复系数呈现先下降后上升的趋势。将虚拟预冷器管束排布方式改为顺排，预冷器的换热功率下降，出口总温上升，涡轮通道的出口速度上升了11%～30%。     

火星探测器大气数据测量方法

针对火星探测器进入飞行弹道的高马赫数、化学非平衡效应和低动压等特点，提出了一种基于火星进入大气数据系统/惯性测量单元(MEADS/IMU)耦合的测量方法，实现海拔60 km以下区域的火星大气数据测量。利用自主研发CACFD软件平台的化学非平衡模型/完全气体模型计算获得探测器宽速域飞行流场的表面压力点数据，建立了基于BP神经网络的MEADS算法模型。在高马赫数段(Ma>12)利用IMU测量获得的马赫数作为输入条件，结合MEADS算法测量获得总压、动压、静压、攻角和侧滑角等飞行大气参数，成功克服了马赫数无关性对MEADS系统测量的影响。在低马赫数段(Ma≤12),直接应用MEADS算法测量静压、马赫数、攻角和侧滑角。测试结果表明在MEADS系统测压单元误差≤7 Pa的条件：总压测量误差≤14 Pa(1.5%),攻角测量误差≤0.9°,侧滑角测量误差≤0.9°,动压测量误差≤10 Pa(1.5%),静压测量误差≤7 Pa(3%),马赫数测量误差≤0.1。飞行试验数据得出：MEADS测量与IMU测量马赫数、攻角和侧滑角等结果基本一致。     

Φ3m高温风洞流场性能校准

中国空气动力研究与发展中心Φ3 m高温风洞是新建成的3米量级暂冲型、自由射流式高温风洞，采用空气/液氧/异丁烷三组元燃烧加热产生高压高温高速气体和真空抽吸联合运行。为评估该高温风洞流场性能，开展了风洞调试和流场校测试验。试验结果表明：风洞可模拟马赫数4～7、高度17～30 km飞行条件下的马赫数、动压、总焓、氧组分、时间等参数，最高总温2 335 K；风洞流场品质好、均匀区尺寸大，喷管出口均匀区尺寸达到喷管出口直径的80%以上，均匀区内马赫数和总温偏差均优于2%；流向马赫数菱形均匀区大于理论预测值，流向总温均匀区呈直筒形分布；风洞长时间运行时流场参数波动小，马赫数和总温波动均优于2%。风洞具备了开展高速飞行器空气动力学、推进、材料与结构等试验研究的能力。     

超声速飞行器FADS系统实时解算设计与验证

针对典型超声速飞行器的头部外形,采用CFD数值模拟方法计算获得超声速飞行器头部测压点阵列的压力数据,设计了基于BP神经网络技术的求解算法和基于FPGA+DSP构架数字信号处理的解算机、飞行马赫数2.0~4.5的嵌入式大气数据传感系统实时解算方案。应用蒙特卡罗法分析测量总误差对算法模型的影响,并获得满足嵌入式大气数据传感系统设计目标要求的测量系统总误差。算法在解算机上完成1次计算所需时间1ms,完全可以满足嵌入式大气数据传感系统算法实时解算设计的要求。在1.2m×1.2m超声速风洞完成求解算法的实时解算试验,试验结果与风洞系统的测量结果基本吻合,系统在实时解算过程中未出现异常、能灵敏反映出来流参数变化、具有很好的鲁棒性和敏捷性。静压测量相对误差≤6.9%,马赫数测量误差0.1,迎角和侧滑角的测量误差均1°。最后还分析了试验误差影响因素,提出了试验改进的方法。     

吸气式发动机试验中空气流量的计算

为降低吸气式发动机试验中空气流量测量的计算误差，分析三种常用的测量空气流量计算方法的基础上，提出了可压流温比修正算法和无方法误差的程序计算法，分析了各种方法的适用范围和方法误差。同时，提出了空气湿度、直接加热污染和管壁受热等对物性参数和管径的修正方法。结果表明，程序计算法没有误差，在高超声速飞行的模拟试验中尤为适用；可压流温比修正法可以在工程上代替程序计算法，在广阔的压比和来流总温条件下，其方法误差可以忽略。     

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。     

双模态冲压发动机燃烧性能初步研究

通过数值模拟和地面试验研究了当量比和注油分布对双模态冲压发动机燃烧性能的影响,结果表明：在隔离段入口马赫数为2.0,总温为1100K,总压为1MPa的来流条件下,总当量比为0.6时,燃烧模态为双模态亚燃,热力喉道位置位于凹槽出口处;总当量比大于0.6时,发动机燃烧模态为亚燃,热力喉道位置相同,流场结构稳定.通过选取压力参考点的方法,发展了发动机推力快速分析方法,误差较小.     

不同条件下平面叶栅风洞流场品质的实验研究

为了全面认识亚声速平面叶栅风洞的流场品质及其影响因素,以西工大高亚声速平面叶栅风洞为研究对象,实验测量并分析了空风洞的来流品质以及安装叶栅实验件后来流马赫数、来流攻角、叶片数对叶栅流场准确性、均匀性以及周期性的影响。研究结果表明：空风洞内主流区域宽广且基本均匀,马赫数偏差不超过0.005,气流角偏差不超过；加装叶栅实验件后的周向流场分布表现出不对称,靠近可移动上侧壁的三个通道的来流均匀性和准确性普遍较差,叶栅中间和偏向可移动下侧壁的通道来流均匀性和准确性较好；来流攻角对叶栅进口流场品质的影响比马赫数更大,在负攻角和较小的正攻角下,叶栅进口流场品质较好；在较大的正攻角下,叶栅来流均匀性和准确性明显下降；叶栅进口流场品质直接影响着叶栅通道内以及出口流场的周期性。     

速度梯度、近壁效应和Re数对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验研究, 分析了速度梯度、近壁效应和Re数对几种叶轮机流场测量用压力探针测量误差的影响。实验结果表明, 横向梯度能引起偏转角测量误差;纵向梯度能引起俯仰角测量误差;梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。圆柱探针和锥形多孔探针相比, 气流方向测量误差对速度梯度更敏感, 纵向梯度对俯仰角测量值的影响尤其大。速度梯度一般使静压测量值偏小, 使总压测量值偏高。纵向速度梯度对圆柱探针的静压测量值的影响规律例外, 正速度梯度引起大的静压正误差, 负速度梯度引起大的静压负误差。圆柱探针比锥形多孔探针近壁效应严重。近壁引起测出的气流方向偏离壁面。近壁一般使静压测量值偏小, 但圆柱探针头部近叶轮机机匣时静压值反而偏高。近壁对总压测量影响不大。速度梯度和近壁对测量误差的影响还与来流方向有关。低Re数使静压测量值偏大, 几何形状不同的探针Re数的影响范围不同。      

高马赫数涡轮发动机射流预冷特性研究

射流预冷涡轮基发动机在高空高马赫数工作时对冷却水和液氧具有迫切的需求。本文以气液相变冷却机制为切入点，开展高空模拟试验进气预冷段内水-液氧射流冷却的数值分析，考虑真实雾滴颗粒运动的热力现象，基于欧拉-拉格朗日多相流方法解析气液两相热质传输过程，分析水-液氧混合射流对高马赫数涡轮发动机预冷段内流动及换热特性的影响规律。结果表明，水-液氧射流雾化蒸发的效果具有即时性，基于水雾-水蒸汽比热大和汽化焓高的特点，水雾浓度对主流总温降和总压恢复占主导性；而液氧浓度有利于降低湿空气的热流密度。在射流浓度2%-8%时，预冷段总压降系数为0.84%-1.27%，总温降系数范围为2.15%-15.12%，即温降范围为12.92K-90.89K。为平衡高空高马赫数时冷却水和液氧的需求，需控制水-液氧的射流比例，液氧射流量建议小于60%的总射流浓度。在“40%水-60%液氧”的射流比例时预冷段内流动和传热特性达到局部最优。在发动机物理转速不变时，射流冷却后预冷段内湿空气来流质量流量增幅0.22%-9.39%，其中空气和水蒸气含量的贡献份额分别约为71.8%和28.2%。因此，射流预冷有利于涡轮发动机在高马赫数时具有更高的加速度。     

大弯角扩压叶栅吸力面全域压力分布的PSP实验

基于自行组建的PSP(pressure sensitive paint)测量系统,采用中国科学院化学研究所PSP,实验测量了来流马赫数分别为0.4和0.5时大弯角扩压叶栅叶片吸力面全域压力分布,并与传统测压技术所得结果进行了比较.研究结果表明:①采用PSP技术测量可以获得叶片表面全域的连续压力分布,具有空间分布率高、定量测量的特点;②叶片中部PSP测量压力值与压力扫描阀结果吻合得非常好,但受到叶片吸力面曲率的影响,叶片前缘与尾缘附近的误差较大,最大误差为4.48%;③随着来流速度的提高,PSP与压力扫描阀之间的误差逐渐减小.      

来流总温对双模态燃烧室模态转换边界的影响

针对煤油燃料双模态超声速燃烧室,开展了来流总温对燃烧室模态转换边界影响的试验研究。试验采用甲烷燃烧加热直连式试验系统,隔离段进口马赫数保持2.0不变,总压为1.05 MPa,来流总温分别为885、1 085、1 285 K。试验中采集了燃烧室沿程壁面压力,并采用一维分析方法得到了燃烧室的工作模态。试验结果表明:来流总温不同时,燃烧室壁面峰值压力位置相同,同时压力峰值与隔离段壁面压力分布和激波串起始位置存在一一对应关系;来流总温上升导致燃烧室超燃-亚燃模态转换时的当量油气比上升;在燃烧室当量油气比不变的条件下,来流总温上升能够导致燃烧室壁面压力下降,隔离段内激波串长度缩短。      

不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析

桨涡干扰噪声是直升机气动噪声主要组成之一，为了正确预测和降低直升机噪声，必须开展气动噪声相关物理参数研究。在对声场进行计算流体力学（CFD）直接数值模拟的基础上，分析了不同厚度和来流马赫数下二维平行桨涡干扰噪声传播特性和声源位置，分析了翼型厚度和来流马赫数对桨涡干扰噪声的影响，并得到了可压缩情况下远场声压预测公式。研究表明，低马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响不大，高马赫数下，翼型厚度对噪声指向性影响程度增大；噪声强弱主要随来流马赫数变化，翼型厚度对其影响较小；翼型厚度和来流马赫数变化不会改变声源点位置。开展不同翼型厚度和来流马赫数下的桨涡干扰噪声分析可以为进一步了解并控制直升机桨涡干扰噪声提供一定的参考。     

传感器表面温度对热流测量的影响

高超声速飞行器热环境测量数据一直是防热设计和考核的基准数据,也是热环境计算方法的考核性数据,其准确性至关重要。针对热流测量中遇到的传感器表面和周边防热材料温度差异而导致的测量数据偏差问题,采用基于Navier-Stokes方程的自研程序开展了详细的气动热环境数值模拟,得到了不同温差条件下传感器表面热环境的分布规律,并根据场协同理论分析了局部热流变化的成因机理,研究了影响热流变化幅值的主要因素。结果表明：①当传感器和其周边材料的温度存在一定的差异时,导致该区域近壁面流场中的压力、密度等特征量梯度增大,改变了传感器当地的法向速度和温度分布,造成了局部热流的剧烈变化。②相同来流马赫数和高度下,来流攻角主要影响法向速度的分布,从而影响气动加热量,攻角越大,相同温差下加热量上升的幅度越小;来流总温主要影响法向温度梯度的分布,从而影响气动加热量,来流总温越大在相同温差条件下加热量上升幅度越小。所开展的研究工作可加深对传感器局部热环境分布规律的认识,避免对测量热流的误判,提升数据判断和分析的可靠性。     

高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究

为了测量超燃冲压发动机燃烧室的热环境,从Gardon热流计原理出发,发展了一套水冷热流/壁温一体化测量技术。采用热阻分析方法,对传感器的热结构进行了分析与优化设计。测试了多种隔热与外壳材料对传感器响应特性的影响。通过辐射加热方式对传感器进行了标定,获得了热流/电压、壁温/热流的标定曲线。采用该传感器,在模拟马赫数6、总温1800K的来流条件下,对超声速燃烧室的热环境进行了初步测量,获得了与传热分析相一致的结果。