二次流喷射对喷管流场性能的影响

采用有限体积法求解二维守恒型雷诺平均N-S方程,数值模拟了单膨胀斜面喷管内外流场,研究了二次流喷射对单膨胀斜面喷管非设计状态性能的影响,给出了性能随喷射流量、喷射总压和喷射角度的变化规律。计算结果表明,在喷管下斜板尾缘进行二次流喷射可以提高喷管非设计状态性能,喷射流量和喷射角度是影响喷管性能提高的主要因素,并存在最优的喷射流量和喷射角度,喷射总压对喷管性能影响较小。     

截短单边膨胀喷管的试验和数值模拟

基于最短长度理论喷管设计程序,获得了设计点为马赫数6.5时单边膨胀喷管(Single ExpansionRamp Nozzle,SERN)等熵膨胀型线,并对其截短70%后的喷管进行模型设计和加工。通过试验和数值模拟结合的方法,研究了模型喷管在不同压比下的流场结构和性能。结果表明:喷管长度截短70%对推力性能影响不大,在所有典型压比下,喷管截短70%后推力系数与原喷管相差不超过1%。该喷管截短70%后,其推力系数在落压比大于60时仍能达到0.95以上,随着喷管压比的继续降低,喷管推力系数迅速降低,性能恶化,喷管在过膨胀状态下的性能应该得到重点关注。     

单斜面膨胀喷管几何参数对流场和性能的影响

基于CFD技术,通过求解R eynolds平均N-S方程附以标准k-ε双方程湍流模型,数值研究了单斜面膨胀喷管(SERN)主要几何参数对其内部流场和性能的影响,计算结果表明,SERN扩张段上、下斜面长度和角度对喷管流场结构和性能有明显的影响,随着上斜面长度的增加,喷管从欠膨胀状态过渡到过膨胀状态,在完全膨胀状态下,推力系数最大,存在某一最佳的上斜面角度,在该角度下,喷管推力系数最大,同样地,对于下斜面也存在最佳斜面长度和角度。      

型面旋转变马赫数风洞喷管的优化设计

型面旋转的变马赫数可调风洞喷管因其能够实现出口马赫数的连续快速变化、调节容易和流场品质较好等优点,成为目前地面变马赫数风洞研究的热点。将出口马赫数范围为2.0~4.0的变马赫数风洞喷管作为研究对象,基于iSIGHT和Fluent等软件搭建了适于该风洞喷管的优化设计平台,研究了型线设计中设计点马赫数、初始膨胀线和附面层修正量等因素对变马赫数出口流场的影响,应用NSGAⅡ算法在依据试验设计点所构建的Kriging近似模型上搜索,得到最优的风洞喷管基准型线,并对该基准型线进行二维、三维数值仿真校核,结果显示：通过旋转优选得到的基准型线能够得到马赫数范围为2.0~4.0的变马赫数出口流场,且流场均匀性基本满足固定型面、单设计点风洞喷管的国军标（GJB-1179-91）合格指标,为变马赫数可调风洞喷管在变马赫数风洞中的实际应用奠定了良好的基础。     

超燃冲压发动机非对称喷管非设计状态性能计算

由非对称喷管的设计程序,以实际飞行马赫数6为设计条件,取不同的几何控制参数,获得一系列对应的喷管等熵型线。对其进行附面层修正后,在不同飞行工况下,用CFD软件分别对不同外型的喷管流场进行了计算,讨论了上下壁面进口处初始膨胀角之比F对非设计工况下喷管性能的影响。然后,对F=0的喷管型线截去约60%,用CFD软件计算了不同飞行工况下的流场,讨论了截短对非对称喷管非设计状态性能的影响。结果表明:F对非设计状态喷管性能影响显著;截短后喷管进出口冲量差减小,升力和俯仰力矩减小。     

超临界二氧化碳超声速喷管设计与性能分析

超临界二氧化碳由于其独特的物理性质而受到广泛应用。同时超临界二氧化碳真实气体效应显著，其流动机理和理想气体差别较大，因此需要设计相应的喷管。采用特征线法设计超临界二氧化碳超声速喷管，其中二氧化碳的热力学参数基于S-W方程获得。通过CFD粘性仿真进行边界层修正。分析了改变喷管入口总压、总温对喷管内流场的影响。结果显示，设计工况下喷管出口质量平均马赫数与设计值相差0.033%，喷管内流场品质较好；非设计工况下，由于温度变化会显著改变CO2的热物性参数，入口总温对喷管流场的影响比总压更大，当入口总压和总温分别降低83.33%,52.94%时，出口马赫数分别降低1.16%、提高3.23%。设计工况下喷管流场满足设计要求，非设计工况下喷管出口马赫数与设计值偏差较小。喷管具有较宽的工作域。     

超声速短化喷管的设计与实验研究

利用Bézier曲线构造轴向马赫数分布,采用特征线方法计算喷管壁面型线,结合跨声速理论,提出了一种实用的短化喷管设计方法。对设计制成的喷管进行流场校测,并与数值模拟的结果进行比较分析,结果表明:喷管内部膨胀均匀,出口流场品质很好,可用于超声速风洞以及其它对流场品质有较高要求的应用场合。     

单边膨胀喷管内流动分离非定常特性

结合聚焦纹影和动态压力测量技术,对基于特征线法设计的单边膨胀喷管(SERN)不同落压比(NPR)条件下喷管内流场结构和壁面压力进行了试验测量,通过壁面压力时域和频域综合分析获得了喷管内流动分离非定常特性。结果表明:过膨胀状态下单边膨胀喷管内流场结构具有明显的非对称特征,喷管上壁面流动分离模态为受限激波分离(RSS),而下壁面流动分离模态为自由激波分离(FSS);相比于FSS模态,RSS模态下出口附近壁面压力振荡更剧烈。喷管上、下壁面压力标准差峰值均在分离点附近,且概率密度函数分布向一侧偏斜或出现双峰现象。RSS模态下,激波运动呈明显低频特性;FSS模态下,激波非定常特性不仅受回旋区压力扰动的影响,且受分离剪切层的影响。      

发动机喷管羽流对近场声爆特性影响的风洞试验技术

超声速飞行所引发的声爆问题是困扰新一代环保型超声速客机发展的关键技术难题，发动机喷管羽流对全机声爆特性尤其是后激波特性具有重要影响。设计了单喷管喷流试验模型及声爆试验装置，评估了风洞试验段洞壁反射激波对模型近场压力测量的影响，重点针对通气支臂对喷管羽流的支撑干扰问题进行了分析与优化。基于中国航空工业空气动力研究院FL-60风洞，开展了发动机喷管羽流对旋成体单喷管模型近场声爆特性影响试验技术研究，试验来流马赫数2.0、落压比（NPR）范围1～20.39。研究结果表明，通过对来流马赫数、通气支臂外形、喷流模型长度、通气支臂与模型的相对位置等参数的综合优化，消除了通气支臂带来的支撑干扰对喷管羽流的影响，确保在风洞试验段受限空间内模型近场压力测量不受洞壁反射和通气支臂波系的影响；喷管羽流主要对模型尾部的近场压力特征产生影响，在来流马赫数一定的条件下，提高喷管NPR使喷流状态从过膨胀到欠膨胀，喷管唇口激波逐渐增强、位置逐渐向上游移动，抑制了喷管船尾膨胀波的发展。     

侧向膨胀对单边膨胀喷管性能的影响研究

为研究侧向膨胀规律的变化对单边膨胀喷管性能的影响规律,运用三次曲线参数化方法给定不同的侧向膨胀规律,基于准二维特征线法设计得到相应的带侧向膨胀的三维非对称喷管构型,结合CFD计算结果,分析了直侧壁和曲侧壁两类侧壁型线对喷管性能的影响规律。为验证数值模拟方法的可靠性,选取具有10°膨胀角的直侧壁喷管进行风洞试验,数值模拟结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:在给定的设计条件下,侧向膨胀角为6°时直侧壁喷管性能最优,该膨胀角可使喷管长度减短34.05%。侧向膨胀在保证喷管推力性能的同时,对减短喷管长度、减轻喷管重量具有重要意义;曲侧壁喷管侧壁面产生的推力变化趋势与整个喷管构型产生推力的变化趋势一致;"凸曲线"侧壁型线初始膨胀角较大,更有利于提高三维尾喷管的推力性能。     

基于膨胀度可控的SERN设计及试验验证

单边膨胀喷管（SERN）是超燃冲压发动机的关键部件,由于其几何非对称,在发动机点火/熄火瞬间,SERN会产生较大的冷热态俯仰力矩差,影响飞行器的稳定性。现有解决方法主要是利用几何/气动调节方式,但都有不利影响。本文提出了基于膨胀度可控的SERN设计的新方法,将采用该方法得到的喷管模型B与基准喷管模型A进行了对比研究,并对模型B进行缩比冷流试验,试验与数值模拟结果吻合良好。研究结果表明：飞行马赫数为4.5时,模型B的推力系数比模型A仅仅下降了0.1%,而模型B比模型A的冷热态俯仰力矩差减小了80.49%;飞行马赫数为6.5时,模型B的推力系数比模型A不仅上升1.1%,同时模型B比模型A冷热态俯仰力矩差还下降12.73%,验证了设计思想的正确性,为提高SERN俯仰力矩性能提供了一种新的思路。     

基于膨胀度可控的 SERN 设计及试验验证简

 单边膨胀喷管（SERN）是超燃冲压发动机的关键部件,由于其几何非对称,在发动机点火/熄火瞬间,SERN会产生较大的冷热态俯仰力矩差,影响飞行器的稳定性。现有解决方法主要是利用几何/气动调节方式,但都有不利影响。本文提出了基于膨胀度可控的SERN设计的新方法,将采用该方法得到的喷管模型B与基准喷管模型A进行了对比研究,并对模型B进行缩比冷流试验,试验与数值模拟结果吻合良好。研究结果表明：飞行马赫数为4.5时,模型B的推力系数比模型A仅仅下降了0.1%,而模型B比模型A的冷热态俯仰力矩差减小了80.49%;飞行马赫数为6.5时,模型B的推力系数比模型A不仅上升1.1%,同时模型B比模型A冷热态俯仰力矩差还下降12.73%,验证了设计思想的正确性,为提高SERN俯仰力矩性能提供了一种新的思路。     

高超声速飞行器机体/推进一体化设计的启示

机体/推进一体化设计是吸气式高超声速飞行器的关键技术。飞行器的前体和后体既是主要的气动型面,又是发动机进气道的外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,一体化设计直接影响飞行器的气动与发动机性能。本文阐述了吸气式高超声速飞行器的主要特点,梳理了飞行器的推阻匹配、升阻比特性、操稳匹配等主要气动设计问题。通过对国外典型高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术的综合分析,总结了前体/进气道、后体/尾喷管、边界层强制转捩装置等关键部件的气动设计方法,获得了有意义的启示,可为后续吸气式高超声速技术研究提供重要参考。     

基于超燃冲压发动机的HIFiRE项目飞行试验研究进展

飞行器在临近空间内的气动特性及发动机性能一直是各国高超声速项目研究的重点,为探索边界层转捩、激波边界层相互作用以及气动加热效应,美澳牵头于2006年联合启动了HIFiRE项目,采用探空火箭发射进行重点技术验证的模式开展了系列创新性研究。项目重点关注20~38km空域,4~8速域飞行马赫数,试验方案通过单项验证、系统集成的思路逐步深入,将一体化设计的乘波体从无动力滑翔推进到有动力巡航,最终完成带超燃冲压发动机高升阻比飞行器的总体性能测试。研究结果表明:①试验飞行器的边界层转捩高度在35~25km;②乘波体飞行器在飞行马赫数为7时最大升阻比为5.6;③超燃冲压发动机的飞行试验中,在86.2kPa的恒定动压下,飞行马赫数从5.5加速到8.5,试验中发动机实现了从亚燃到超燃的模态转换。      

基于Rao方法的二维单壁膨胀喷管优化设计

针对高超声速飞行器后体尾喷管的优化设计问题,发展了与多目标优化程序NSGA-Ⅱ相结合的自动优化流程。利用Rao喷管的近似方法建立喷管优化模型,采用区域推进求解PNS方程的流场解算器和网格自动化生成技术获得尾喷管的性能;引入目标约束设计和自适交叉技术,自动加速目标空间的搜索,大幅度提高了多目标优化设计效率;获得了给定来流和喷流条件下的一种具有良好性能的二维后体尾喷管设计方案。     

面对称重复使用运载器尾部喷流风洞试验

研究面对称重复使用运载器尾部发动机的喷流干扰特性对于飞行器设计具有重要意义。在中国航天空气动力技术研究院的FD-12风洞中开展了亚/跨声速飞行条件下的喷流试验。试验使用常温压缩空气作为喷流介质模拟发动机的高温燃气,采用的相似参数包括：飞行器的几何外形尺寸、飞行器的飞行马赫数、发动机喷管的出口马赫数、发动机喷流与自由来流静压比。试验结果表明了发动机喷流对全飞行器气动特性和体襟翼铰链力矩的影响随来流马赫数、喷管、体襟翼偏角等因素的变化规律。     

化学非平衡流动对超燃冲压发动机尾喷管性能的影响

采用RNGk-ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,针对设计的超声速燃烧冲压发动机单斜面膨胀喷管,采用氢氧七组元八反应模型,数值模拟不同高度、不同来流马赫数条件下的喷管流场和性能.计算结果表明,喷管内的进一步燃烧对燃烧室起到了一定的补燃作用,对喷管性能影响较大.化学非平衡状态下,喷管推力特性和升力特性显著提高.超燃冲压发动机尾喷管的性能研究,应考虑化学非平衡流动的影响.      

二维高超声速进气道优化设计方法研究

对二维高超声速进气道的优化设计方法进行了研究。采用拟Newton法作为优化方法,结合代数法生成的结构化网格以及流体计算软件Fluent,形成对二维高超声速进气道进行二维优化设计的设计软件系统。运用该系统,以总压恢复系数为目标,分别对3道激波外压、1道激波内压和3道激波外压、2道激波内压的二维高超声速进气道在设计点(飞行马赫数6.0,飞行高度25 km)进行了二维优化设计。设计算例表明,运用该系统对二维高超声速进气道进行优化设计是切实可行的。     

超声速/高超声速双拐点喷管设计

为实现直连式试验台、高温风洞等试验设备的多马赫数运行,提出了双拐点喷管设计方法.喷管分2段设计,第1段共用,采用3次B-Spline函数描述喷管轴线马赫数分布.首先采用特征线方法求解Euler方程,得到无黏的理想喷管型面.其次采用参考温度方法求解边界层位移厚度,对无黏壁面进行修正得到实际壁面.共用段喷管出口的平行均匀流作为第2段喷管设计的初值.为验证设计方法的可行性,设计了中间马赫数为3.0,出口马赫数分别为4.0,4.5和5.0的双拐点喷管,并采用雷诺平均的Navier-Stokes方程对设计的喷管流场进行数值模拟.计算结果表明:喷管出口流场均匀,试验菱形区的马赫数误差小于1.2%.该方法提高了喷管设计精度,保证消波干净,为直连式试验台、高温风洞等设备的多个喷管共用一套动力系统提供了基础.      

高超声速飞行器宽速域翼型/机翼设计与分析

对于现代高超声速飞行器的设计而言,除了需要保证高超声速的性能外,还必须兼顾满足工程需求的亚跨超声速特性。首先,采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程流动求解器,结合基于Kriging模型的代理优化算法,开展了高超声速飞行器宽速域翼型的优化设计研究,设计出了一种下表面具有双"S"形特征的新翼型。综合性能评估结果表明,该翼型相比于常规的高超声速翼型,在跨声速和高超声速下具有更加优良的气动特性;其跨声速状态下的升阻比达到78.9,高超声速状态下的升阻比达到5.94,能够实现宽速域内良好的综合气动性能。其次,开展了仿德国"桑格尔号"（SANGER）空天飞机运载机机翼的气动特性研究,对配置宽速域翼型与常规高超声速翼型的机翼进行了气动力特性综合对比分析。结果表明,配置新翼型的机翼在宽速域范围内整体气动性能更优,说明所设计的宽速域翼型在三维机翼上也具有一定的实用价值。