TBCC进气道变几何泄流腔研究

提出了一种用于内并联型涡轮基组合循环(TBCC)进气道全马赫数范围的可变几何泄流腔方案,给出了可变几何泄流腔的设计方法;研究了泄流腔及其几何特征参数对进气道流场特征和气动性能的影响,获得了几何特征参数对进气道气动性能的影响规律.最后,采用三维流场数值模拟手段,对泄流腔可变型面参数随飞行马赫数Ma₀的调节规律和进气道在全马赫数范围内的气动特性进行了研究,结果表明:泄流腔开启之后,随着Ma₀的增加,泄流腔进口宽度和喉道高度不断减小,且均呈前急后缓的减小趋势;在Ma₀≤2.0和Ma₀≥2.5时,泄流腔进口前角均随Ma₀的增加而减小;当Ma₀≤2.5时,进气道的总压恢复系数均在0.8以上,当2.5<Ma₀≤4.5时,进气道的总压恢复系数均在0.3以上,符合进气道总体方案的要求;冲压模态下,冲压通道的出口马赫数均小于0.4,出口静压均大于0.5个标准大气压(50.6625kPa),均能满足冲压燃烧室的燃烧需求.结合高速风洞试验研究结果,印证了可变几何泄流腔方案的可行性.      

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计.通过数值模拟的手段,对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究,并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证.研究结果表明:中心线控制点纵坐标在1.50~2.25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0.3~0.7的范围内取值时,涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数;采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数;随着飞行马赫数的增加,进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小,在飞行马赫数为0.9附近达到最小,之后又逐渐增加,涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高,在飞行马赫数为0.7附近达到最大,之后又逐渐降低;涡轮模态下,涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0.5,能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求.      

并联TBCC可调进气道并联方案

对并联涡轮基组合循环(TBCC)可调进气道并联方案进行了归纳分析,提出了一种分类方法和两种并联方案。对4种典型并联方案在马赫数为2.5的模态转换工况进行了稳态仿真分析。结果表明:后开纯内并联方案在模态转换过程中总流量变化很小,其余3种的总流量系数随着涡轮通道的关闭都是逐渐减小的,涡轮通道流量系数逐渐降低,冲压通道升高。4种方案冲压通道流量系数在模态转换过程中均是逐渐升高的,后开纯内并联方案具有最低的冲压通道平均流量系数,变化幅度最大,其余3种方案变化幅度均较小。前开纯外并联和混合式内并联两种方案的涡轮通道出口总压恢复在模态转换过程中呈减小趋势,另外两种方案的总压恢复呈略微增大趋势,其中前开纯外并联平均总压恢复最低,而混合式内并联方案的平均总压恢复最高。      

一种内并联型内转进气道通道间干扰特性研究

为了研究工作马赫数范围Ma0～6的组合循环发动机进气道的工作特性,设计了一种三通道内并联型可调内转进气道,为了适应进气道能宽速域正常工作,在内转进气道的顶板压缩面上进行了变几何设计,可以调节进气道的内收缩比,兼顾了进气道低马赫数下的起动性能和高马赫数下气动性能。采用三维数值仿真的方法对进气道在过渡模态下的反压特性进行了分析研究。研究结果表明,可以通过改变隔离段反压或者涡轮通道反压的大小来调节两通道之间的流量分配和涡轮通道出口的稳态畸变;当增加涡轮通道反压时,涡轮通道的流量系数和稳态畸变会逐渐减小,而冲压通道的流量系数会逐渐增大,最大增加量约为原有流量的23.3%;当增加隔离段反压时,涡轮通道的流量系数和稳态畸变会逐渐增大,而冲压通道的流量系数会逐渐减小,最大减小量约为原有流量的29.3%。     

内并联型进气道模态转换过程中流道间干扰特性研究

针对组合动力进气道模态转换过程中存在的流道间干扰现象,采用数值模拟方法对一典型内并联型进气道模态转换过程中高/低速流道间的干扰特性展开了深入研究。结果表明：在模态转换过程中,当低速流道结尾激波位于低速流道内部时,高速流道节流至一定程度都将对低速流道形成干扰。该干扰现象出现后,高/低速流道的流动耦合,两流道的流量分配也随之发生变化,甚至导致了进气道流场的失稳。仅当β/α=0.25时,高/低速流道间的干扰造成了进气道流场的失稳且失稳后的振荡流场会先后出现两个不同的发展时期：前一时期的振荡流场的振幅较大但频率较低,约为335Hz;后一时期的振荡流场的振幅较小但频率较高,约为880Hz。     

基于内收缩比可调的二元TBCC进气道风洞试验及起动特性分析

为拓宽进气道工作马赫数范围,结合型面变几何技术并充分利用迟滞回路效应的优势,基于外压缩面/喉道高度协同调节的二元TBCC进气道模型,采用数值模拟与风洞试验结合的方法,研究了马赫数为4.0的通流状态下进气道内收缩比（即改变喉道高度）增减对起动特性的影响。结果表明：当进气道处于不起动状态时,降低内收缩比使进气道肩部分离包被吞入继而实现再起动;结合纹影和沿程静压分布等分析,进气道入口波系在各内收缩比下与设计值相符,但内流通道的CFD结果与试验结果存在相对误差ε,且起动状态下的εq比不起动状态下的εb约低1.5%(εq<2.7%,εb<4.2%),表明采用的数值计算方法对于前体激波的预测较为准确,而对于不起动进气道内流静压预测存在误差;获取此类变几何进气道的迟滞回路特性,当内收缩比≤1.79时,进气道正常起动,当内收缩比≥2.54时,进气道不能正常起动,当1.79<内收缩比<2.54时,进气道的起动特性由初始状态和内收缩比的增减趋势共同决定。     

双下侧布局带泄流腔二元进气道试验

针对一种双下侧布局带泄流腔的二元进气道进行了试验研究.试验时,来流速度范围Ma=2.0～3.5,姿态角范围为α=-4°～10°,β=0°～4°.试验获得了进气道的反压特性曲线、速度特性曲线、迎角特性曲线和侧滑角特性曲线.分析表明,随着来流速度和迎角的增加,进气道的流量系数先增加,在设计点达到最大,之后由于弹身头部激波的影响略有减小.侧滑时两侧进气道气流状态不同,工作范围由性能较低的迎风侧进气道来决定.另外,通过分析进气道的沿程静压分布曲线,说明泄流腔结构能使结尾激波停留在泄流腔边缘,扩大了进气道的工作范围.      

TBCC进气道研究现状及其关键技术

介绍了TBCC发动机的组合方案及相对应的进气道方案,通过对国外TBCC进气道技术发展和应用现状的详细分析,阐述了不同布局方式的TBCC进气道的优劣点,总结了发展TBCC进气道所面临的主要挑战及所需解决的关键技术,提出了TBCC进气道技术当前有待突破的首要问题,意在为发展TBCC进气道技术提供基本思路和参考。     

TBCC用轴对称进气道流量控制技术研究

为了满足组合动力进气道在宽马赫数范围内良好工作,开展了组合动力轴对称进气道设计,提出了多种轴对称进气道变几何方案以实现进气道/发动机流量匹配。理论分析及数值模拟研究了各变几何机制的可行性,对比分析各方案优劣。结果表明:外压段溢流、内压段溢流及扩压段溢流均能实现进气道/发动机流量匹配;外压段溢流变几何机制较复杂,其中改变唇罩角度和移动部分中心锥时进气道总压恢复系数较高,且移动部分中心锥时进气道压差阻力较小;内压段溢流各方案变几何机制相对简单,但溢流区域较大,斜激波易导致中心锥表面流动分离。其中采用外罩设置放气孔的形式时,进气道总压恢复系数较高,压差阻力较小;扩压段溢流方案实现简单,溢流区域小,进气道性能较好。      

采用新型基准流场的高超内收缩进气道试验研究

由于新型变中心体基准流场具有压缩效率高、反射激波弱的优点,采用该基准流场设计了矩形转圆形内收缩进气道,在设计点马赫数Ma=6.0进行了风洞试验研究。试验中得到了进气道压缩面的沿程压力分布、隔离段出口皮托压分布等参数。通过和数值模拟对比分析,结果表明：进气道外压段的压力分布明显具有先增大后减小的特征,内压段的压力分布具有两级爬升的特点,且压升较小,流场结构较好。由于内压段流场激波强度弱,进气道总压恢复系数较高,达0.518,并产生了52倍的增压比,其抗反压能力在144倍以上。试验研究表明,采用新型变中心体基准流场能改善矩形转圆形内收缩进气道的内压段流场及隔离段流场,并能有效提高进气道的总压恢复系数。     

一种外并联型涡轮基组合循环发动机进气系统方案

提出了一种外并联型涡轮基组合循环发动机可变几何进气道气动设计方案.数值模拟研究了该变几何方案沿飞行轨迹的气动性能参数变化.在此基础上,对设计参数和进气道几何调节规律进行研究,得到了较优的进气道调节规律及典型工作点进气道气动性能.结果显示:不同来流马赫数下,涡轮通道喉道截面总压恢复系数不低于0.69,冲压通道出口截面总压恢复系数在0.38以上.      

串联式TBCC进气道模态转换模拟器设计及其特性分析

为了实现涡轮基组合循环（TBCC）推进系统平稳模态转换过程的模拟,在前期风洞试验研究的基础上对串联式TBCC进气道模态转换模拟器进行重新设计。采用线性化及非对称的思路对该模拟器进行设计并对其特性展开数值仿真研究。结果表明：该模拟器不仅需要模拟发动机工况改变引起的背压变化,而且能通过流通截面面积线性变化,实现两个通道的流量分配。该装置的特点是能保证模态转换过程中每一点的涡轮/冲压通道的总堵塞比不变,使本文所研究的进气道在总堵塞比保持为65%时进行模态转换,结尾激波基本维持在喉道等直段内且进气道出口马赫数基本维持在0.30,流量系数基本为0.45,涡轮/冲压通道流量呈线性变化,与预期目标一致。     

进气道旋流的模拟及试飞中的测量与评价

为深入研究旋流以全面评价进气道/发动机相容性,研制了一套可调叶片转折角、叶片高度、叶片数的叶片式旋流发生器.通过数值模拟、风洞试验逐步验证了叶片式旋流发生器的有效性,分析了各种可调参数对旋流发生结果的影响.提出了飞行试验中可行的旋流评价指标以及测量方案,并应用于风洞试验以进行验证.数值及试验结果表明:①所设计的旋流发生器可产生整体涡强度达28°的旋流;②叶片数、叶片攻角对旋流发生效果的影响最为显著;③通过不同的叶片布局方式可模拟出各种典型的旋流结构.      

小型推进系统进发匹配高速风洞特种试验技术研究

为检验弹类等小型飞行器推进系统的进气道与发动机工作匹配特性,在暂冲式高速风洞研制了适于小型推进系统进发匹配测试的特种试验技术.研究分析了小型推进系统进发匹配高速风洞试验模型和支撑系统气动和结构问题,给出了试验方案与试验流程,解决了环境污染、试验安全性、模型热防护等关键技术问题.试验表明利用现有暂冲式风洞,能够在地面试验阶段解决小型推进系统进发匹配问题,实现发动机高空试验台或推进风洞的进发匹配试验功能,能为小型推进系统在模拟外流条件下的进发匹配测试提供良好的试验环境,具有工程应用价值.     

高超声速咽式进气道起动特性研究

为了研究高超声速咽式进气道在非设计迎角以及低马赫数下的起动性能,利用流线追踪生成了设计马赫数Ma=7,具有8-7无粘基本流场（即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生）的咽式进气道,并对边界层修正前后的两种咽式进气道进行了数值模拟和高超声速风洞实验。实验观测和记录了各个来流条件下进气道模型唇口的激波系结构,测量了沿进气道模型上下壁面中心线从气流进口到出口的沿程静压分布。结果表明：迎角的增大和来流马赫数的减小都会对进气道的起动性能造成不利的影响,通过对咽式进气道进行边界层修正,可以提高进气道的总压恢复系数,减小内收缩比,从而扩宽进气道起动的马赫数以及迎角范围,对进气道设计有着积极的作用。     

抽吸对高超侧压进气道自起动性能的影响

针对某型高超侧压进气道设计了纵向槽、横向槽和圆孔等4种抽吸方案,对各方案的进气道流场进行了数值模拟.结果表明:抽吸可以显著提升进气道的自起动性能,且对进气道不起动流场的分离区进行抽吸的效果最佳,文中最优方案将进气道的自起动马赫数由4.6降至3.7.对进气道进行了马赫数为4条件下变攻角的风洞试验,验证了抽吸对提升进气道自起动性能的有效性.      

考虑附面层影响的二元混压式进气道设计

采用等激波强度的方法,考虑附面层修正,设计了一种飞行马赫数Ma=3.0的二元混压式进气道.通过数值仿真,模拟了激波-边界层的相互影响,研究了附面层抽吸对内流场的影响,获得了进气道内部复杂的流场分布,以及不同背压下进气道的起动特性.计算表明所设计的进气道性能较好,附面层抽吸对稳定正激波有明显的作用,提高了进气道抗反压能力.给出的方法可用于二元混压式进气道的初步设计和验证.      

一种轴对称变几何进气道设计方法

对带凹腔的圆锥流动进行了数值分析,就流场结构和总压分布与实验结果进行了比较,数值模拟结果与实验数据吻合较好,结果可信.数值模拟研究了不同几何构型的凹腔对圆锥流动的影响,分析并揭示了凹腔与圆锥流场的耦合流动特征.据此,对一种圆锥头部可移动的轴对称变几何进气道开展了方案设计及气动性能分析,并与相应定几何进气道进行了对比.结果表明:当来流马赫数高于设计马赫数时,后退圆锥头部可以调节进气道外压缩波系,保证流量系数达到0.99以上,采用该变几何技术,在不改变进气道内通道几何形状的前体下,可明显提高进气道的流量系数.