冲压增程弹丸进气道特性分析

采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术，对固体火箭冲压发动机增程弹丸超声速进气道特性进行了深入研究。通过数值模拟得到了对应于不同来流马赫数和攻角情况下，临界工况时，超声速进气道内外粘性流场复杂的波系结构，详细分析了来流马赫数和攻角对进气道性能的影响。结果显示，随着来流马赫数的增大，总压恢复系数显著降低，流量系数增大，同时随着来流攻角的增大，总压恢复系数及流量系数逐渐降低，而流场畸变指数则明显增大。     

流线追踪内转式低音爆进气道的设计方法及流动特征

摘 要：为了降低内转式进气道的音爆强度,设计了一种具有曲内收缩前体和零度唇罩角的内转式低音爆进气道,采用数值仿真方法初步研究其在不同工况下的流场结构和流动特征。结果表明：由于零度唇罩角,低音爆进气道的唇罩激波微弱,对唇罩外侧的流场影响较小,因此内转式低音爆进气道的音爆显著低于常规内转式进气道,其中在设计马赫数通流状态下相比下降约94.18%;由于内唇罩面向内偏折,导致唇口反射激波强度增加,总压损失增加,内转式低音爆进气道总压恢复系数略低于常规内转式进气道;内转式低音爆进气道的音爆除了与唇罩角有关,也与其飞行工况有关,飞行攻角越大、来流马赫数(Ma∞＜Mad)越小,音爆越大;其中,在α=0°时,其音爆比α=6°下减小约86.69%;在Ma2.2时,其音爆比Ma1.85下减小约91.93%。     

高超飞行器进气道/内流道流动特性试验

用Ma∞=7风洞试验的方法研究了一种吸气式高超声速飞行器二维进气道/内流道的流场特征与起动特性.试验结果表明:在来流总压0.5～1.9 MPa、单位雷诺数2.48×106～7>.95×106范围内,进气道起动的前提下,进气道/内流道沿程压力分布受来流总压、雷诺数的影响变化很小;在进气道外压缩段流动未受干扰前进气道隔离段最大可承受反压约为250倍自由来流压力;未加侧板时该进气道具有自起动能力,加侧板后隔离段出口压力有所增加;在设计点工况,该进气道增压比42.9,总压恢复0.27,出口马赫数2.76.      

来流参数对混合管道流场结构的影响

为了探究来流参数对混合管道流场结构的影响,通过试验和数值计算方法研究了在不同马赫数、静压来流参数条件下的背景流场和激波串流场结构。试验采用高速纹影和压力测量设备分别进行流场的观察和测量,采用喷管支板结构将来流分为上侧二次流、一次流和下侧二次流。试验与数值结果均表明,背景流场中的背景波系、混合层均由支板后缘处产生,背景波系在壁面间反射并与混合层发生干扰作用,背景流场结构较为复杂。一、二次流的静压关系影响混合层的初始发展方向,导致θ从-9°～7°变化,而马赫数决定起始激波与混合层的夹角。依据前缘激波的反射类型、亚声速区面积等特征,混合管道的激波串流场可以分为规则反射型、临界反射型、正向马赫反射型和反向马赫反射型四种典型结构。临界反射型的波后流场在垂直流动方向上具有"亚-超-亚-超"间隔流动的特点。     

非对称来流下矩形转圆隔离段数值研究

针对采用超椭圆曲线方法设计的矩形转圆隔离段,在非对称来流条件下,利用数值模拟手段研究了出口反压、来流马赫数、进口附面层厚度等因素对其性能的影响。研究结果表明:出口反压与附面层相互作用导致初始激波形态转变为"λ"激波,并且隔离段的性能随着反压的增大而下降,低能流区域迅速增长,流场非对称效应逐渐变小;来流马赫数的增大会提高隔离段的抗反压能力,并且会降低流场的非对称效应,但出口总压恢复系数却随之下降,特别是与来流马赫数为2情况相比,当来流马赫数为2.5时其降低了7.2%;进口附面层厚度的增加会加剧隔离段内的流动分离,导致隔离段的抗反压能力降低,不利于隔离段出口流场品质,并且相对于均匀来流而言,当进口附面层无量纲厚度为0.33时出口总压恢复系数下降了13.7%。     

一种高超声速二元混压式进气道的研究

 针对飞行马赫数为6.00的二元进气道模型开展了高焓脉冲风洞试验研究,分析了进气道在不设置反压和设置反压两种情况下的激波结构、内通道皮托压分布及隔离段出口的性能,并结合数值仿真分析了通道内的流场特性。研究结果表明:在无反压情况下,进气道内通道激波反射明显,靠近下壁面的皮托压值均低于其他测点,在隔离段出口截面,靠近侧壁皮托压有所降低;在一定反压条件下,结尾激波系上传至隔离段内,结尾激波位置不对称;堵塞度为62%的反压条件下,结尾激波系位于喉道位置,隔离段出口截面下半部分已经是亚声速流动;在来流马赫数Ma=6.07,迎角α=4.5°无反压情况下,隔离段出口总压恢复系数为0.477,平均马赫数为2.72,增压比为44,流量系数为0.81,表明进气道性能良好。     

不同反压下椭圆形隔离段流场特征与气动性能

在反压条件下,对椭圆形等直隔离段进行了全三维数值仿真研究.结果表明:在对称的几何条件和边界条件以及均匀来流条件下,当来流马赫数较小时,流场与激波串结构基本对称;当来流马赫数较大(大于2)时,流场与激波串结构出现明显不对称现象,并且随着来流马赫数增大,这种不对称现象加剧.椭圆形隔离段抗反压能力随着长短半轴比减小逐渐增强,出口马赫数和温升比基本不受长短半轴比影响.不同来流马赫数下,当隔离段承受最大反压时,出口马赫数变化不大.      

四段修型弥散反射激波中心体基准流场研究

针对高超声速内收缩进气道宽马赫数范围工作的要求,设计了一种四段修型弥散反射激波中心体基准流场,可明显提高基准流场来流马赫数高于设计点来流马赫数（6.0）时的压缩效率,巡航点（来流马赫数为7.0）出口总压恢复系数较下凹圆弧中心体基准流场提高了2.3%.此外,基于两种基准流场分别设计了圆形进口内收缩进气道并在来流马赫数为5.0~8.0范围内进行数值计算,结果表明:来流马赫数高于设计点来流马赫数时,四段修型进气道的压缩效率更高.有黏条件下,来流马赫数为8.0时二者的增压比近似相等,四段修型进气道喉道截面出口总压恢复系数相对提高了1.1%.      

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。     

带进气道的隔离段流场实验研究与数值模拟

通过风洞实验与数值模拟研究了超燃冲压发动机带进气道的隔离段流动。结合RNGk ε模型隐式求解了三维N S方程,并将计算结果与实验结果进行了比较。研究发现,RNGk ε模型能较好地模拟出超声速流动的激波与分离现象;进气道喉道流动的非均匀性使隔离段内激波/附面层干扰流场与均匀来流条件下的流场有显著差别。风洞实验表明,同一个模型,风洞马赫数为3 85试验的隔离段入口压力畸变大于马赫5 3;但前者隔离段出口截面压力分布比后者更均匀;隔离段入口畸变度大,隔离段实际能达到的压升就低。研究表明隔离段内的总压损失在整个进气道 隔离段组合体总压损失中占了相当大的比重。     

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000～2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。     

双模态超燃冲压发动机对隔离段性能的需求分析

为研究双模态超燃冲压发动机的燃烧室一隔离段共同工作过程,分析不同模态下燃烧室对隔离段的性能需求,在基于集总参数方程的超燃冲压发动机性能计算模型的基础上,提出计算燃烧室一隔离段流量平衡的临界能量法,并编制相应的计算程序,实现双模态超燃冲压发动机各种模态的隔离段和燃烧室的流量平衡计算,计算在不同的模态下隔离段和燃烧室的一维流动参数,进而获得隔离段的性能需求,计算飞行马赫数4．0到7．0时的临近堵塞边界的最大供油量与隔离段最大激波链长度。结果表明：临界能量法正确有效,能完成燃烧室一隔离段流量匹配计算;高飞行马赫数下的堵塞模态的隔离段激波链长度较长,应作为隔离段的工程设计中所参考的重要因素。     

超燃冲压发动机等截面隔离段流动特性的LBM模拟

为了探寻研究超燃冲压发动机隔离段内复杂流动的新方法,采用耦合的双分布函数格子-Boltzmann方法(LBM)对不同条件下隔离段内的流动进行了研究,分析了出口反压、进口马赫数、进口附面层厚度对隔离段流动特性的影响.结果表明:随着出口反压、进口附面层厚度的增加,以及进口马赫数的减小,可使激波串起始位置前移.结果说明耦合的双分布函数LBM有望成为研究超燃冲压发动机内复杂流场的一种有效的数值模拟手段.      

二元高超声速进气道内压缩通道/隔离段曲面构型

对于二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段设计,提出了进气道下壁弧形曲面构型方案。在一系列不同收缩比、不同波系配置的平面构型进气道基础上,通过基于N-S方程的数值模拟研究了不同半径的弧形过渡曲面对进气道性能的影响。发现采用弧形曲面过渡可以削弱平面构型方案对气流不必要的膨胀,减小隔离段进口处上侧壁面高压,改善隔离段进口气流均匀性。新构型有助于降低起动马赫数,且弧形过渡半径越大,收缩比越大,降低的程度越明显;还可以大大提高进气道的总压恢复,无须最后一道内压激波打在下壁面肩点上即可获得较高的性能。     

激光等离子体点源减阻技术中入射能量对气动阻力的影响

数值模拟了来流马赫数为5时的圆球绕流冷流场,以及来流与头部驻点附近注入激光能量而产生的等离子体相互耦合形成的流场的演化过程。计算结果表明:施加局部能量点源能够改变原有的弓形激波结构,使其变为斜激波,从而减小气动阻力;气动阻力随入射激光能量的增大而逐渐减小,当入射激光能量为1.1 J时,气动阻力减小的百分比高达40%。     

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。      

Tomography-like flow visualization of a hypersonic inward-turning inlet

The flow field in a typical inward-turning inlet was visualized using the Planar Laser Scattering (PLS) method in a shock tunnel with a nominal Mach number of 6. The opaque inlet, which is truncated at a series of sections, and the following transparent isolator, are combined to enable the optical access at different streamwise locations. The sequential PLS images provide a tomography-like flow visualization, which confirm the existence of streamwise Counter-rotating Vortex Pairs (CVPs) in both external and internal flow field of the inlet. Generation mechanisms of these CVPs are unraveled with the help of a numerical simulation, among which the cowl notch plays an important role in the generation of surface trailing CVPs along the centerline of the cowl. Moreover, the cowl shock sweeps the internal boundary layer towards the body side, which ultimately accumulates low-momentum flow on the body side in forms of a large CVP propagating downstream through the isolator. The CVPs formed in the shape-transition are responsible for the nonuniform flow field of the inward-turning inlet. This study indicates that the V-shaped cowl notch affects the downstream flow significantly and, therefore, should be examined thoroughly in practical applications.     

Mach reflection in steady supersonic flow considering wedge boundary-layer correction

Mach reflection in steady supersonic flow is an important phenomenon having received extensive studies, among which simplified theoretical models to predict the size of Mach stem and other flow structure are of particular interest. Past efforts for such models were based on inviscid assumption while in real cases the flow is viscous. Here in this paper we consider the influence of wedge boundary layer on the Mach stem height. This is done by including a simplified boundary layer model into a recently published inviscid model. In this viscous model, the wedge angle and the trailing edge height, which control the Mach stem height, are replaced by their equivalent ones accounting for the displacement effect of the wedge boundary layer, with the boundary layer assumed to be laminar or fully turbulent. This viscous model is shown to compare well with numerical results by computational fluid dynamics and gives a Mach stem height as function of the Reynolds number and Mach number. It is shown that due to the viscous effect, the Mach stem height is increased, through increasing the effective wedge angle.     

Interaction of single-pulse laser energy with bow shock in hypersonic flow

Pressure sensing and schlieren imaging with high resolution and sensitivity are applied to the study of the interaction of single-pulse laser energy with bow shock at Mach 5. An Nd:YAG laser operated at 1.06 lm, 100 mJ pulse energy is used to break down the hypersonic flow in a shock tunnel. Three-dimensional Navier–Stokes equations are solved with an upwind scheme to simulate the interaction. The pressure at the stagnation point on the blunt body is measured and calculated to examine the pressure variation during the interaction. Schlieren imaging is used in conjunction with the calculated density gradients to examine the process of the interaction. The results show that the experimental pressure at the stagnation point on the blunt body and schlieren imaging fit well with the simulation. The pressure at the stagnation point on the blunt body will increase when the transmission shock approaches the blunt body and decrease with the formation of the rarefied wave. Bow shock is deformed during the interaction. Quasi-stationary waves are formed by high rate laser energy deposition to control the bow shock. The pressure and temperature at the stagnation point on the blunt body and the wave drag are reduced to 50%, 75% and 81% respectively according to the simulation. Schlieren imaging has provided important information for the investigation of the mechanism of the interaction.