高超声速进气道壁面开缝对边界层分离影响研究

以二维高超声速进气道GK01[1]为计算模型,对进气道进行无粘、粘性以及边界层分离控制方法数值研究.结果发现,利用文中设计的壁面开缝措施可以有效减小甚至消除激波/边界层干扰带来的边界层分离现象,降低粘性效应造成的负面影响;相对开缝前,开缝措施在设计点和非设计点均能明显提高进气道的总压恢复系数和动能效率,而对流量捕获系数的影响很小.同时文中给出了开缝措施在非设计点下对进气道性能指标的影响规律.     

迎角动态变化对二元高超声速进气道气动特性的影响

针对高超声速飞行器受到扰动后迎角可能会发生瞬时大幅度改变或振荡的问题,对来流马赫数为4.03、迎角动态变化的二元高超声速进气道流场进行了非定常数值模拟,分别在进气道等速上仰和按正弦波振荡条件下研究了迎角动态变化对进气道气动特性的影响。计算结果表明:迎角动态变化时,进气道流场特征和性能参数的变化规律和稳态时情况基本保持一致,但是存在明显的迟滞现象;二元高超声速进气道动态上仰的迎角速率越大,进气道发生不起动时的迎角值越大;在进气道下壁面附近的低速区,非定常效应的影响显著,受进气道固壁面运动的影响,低速区的产生、发展及消失影响进气道气动特性。     

壁面粗糙度对高超声速进气道气动性能的影响

为探究壁面粗糙度对于高超声速进气道气动性能的影响,采用经过校验的数值仿真和理论分析相结合的方法进行研究。结果显示:同一飞行马赫数下,随着壁面粗糙度的增加,进气道的流量系数、总压恢复系数和出口马赫数逐渐降低,而静压比、压差阻力系数、摩擦阻力系数以及起动马赫数则逐渐增大;不同飞行马赫数/不同钝化半径下,进气道性能参数随壁面粗糙度的变化规律相似,均表现出较好的拟合规律,据此获得的拟合公式及光滑壁面进气道的气动性能可预估不同壁面粗糙度下进气道的气动性能;就本文研究的进气道而言,当壁面相对粗糙度从0增加至0.625%时,进气道起动马赫数从4.25增加至4.85。壁面粗糙度增加,导致进气道沿程附面层增厚是进气道气动性能参数出现上述变化规律的主要原因。     

预冷器对高超声速轴对称进气道设计状态气动性能影响

为获取预冷器对高超声速进气道内流特性的影响机理和影响规律,设计了一种在扩张段加入台阶型预冷器的高超声速轴对称进气道,并利用混合网格建立了仿真模型,获得了Ma6.0来流条件下带预冷器进气道与原型进气道在节流状态的数值仿真结果。结果表明：引入预冷器后进气道临界耐反压能力略有下降,并且进气道下游背压在1.0≤p_b/p₀<150时出口性能参数明显下降;预冷器上游总是存在节流,上游节流程度由预冷器的堵塞和出口背压共同决定,当p_b/p₀≤20时,上游流场结构完全由预冷器的堵塞作用决定,当p_b/p₀>20时,由两者共同决定;进气道下游背压在20≤p_b/p₀<275时,预冷器为上游流场带来消极影响,而当背压在20≤p_b/p₀<200范围时,预冷器的引入能有效改善下游流场品质,通过上下游的耦合作用,出口性能参数在p_b/p₀     

二元高超声速变几何进气道气动特性研究

设计了一种唇罩可沿来流方向平移的二元高超声速变几何进气道,对进气道开展了三维数值仿真研究,就气动特性与相应定几何进气道进行了对比.结果表明:通过迎着来流方向平移唇罩,进气道内收缩比由1.80下降至1.57,自起动马赫数由4.9下降至3.4.在来流马赫数为4.0~7.0范围内,变几何进气道与定几何进气道隔离段出口马赫数和增压比相差不大,变几何进气道流量系数和总压恢复系数可实现提升最大值分别为21%和9%.二元高超声速变几何进气道综合气动性能明显高于定几何进气道.      

抽吸位置对高超声速进气道起动性能的影响

对某典型二元高超声速进气道流场进行了二维数值模拟,研究了抽吸位置及抽吸流量对进气道性能的影响.结果表明:抽吸可以有效地改善进气道起动性能,但不同的抽吸位置改善效果不同.在内压段抽吸时,抽吸流量越大进气道的起动性能改善越明显;外压段抽吸可以有限地改善进气道的起动性能.抽吸孔布置在喉道前压力随马赫数变化较大的区域时,能够实现抽吸流量随来流马赫数的变化自动调节,更好地改善起动性能.对气动性能影响方面,外压段抽吸可以提高进气道的压缩效率,内压段和隔离段抽吸均使压缩效率变小.      

高超声速二维前体进气道一体化优化设计研究

在飞行器前体进气道的一体化优化设计中,最大总压恢复系数是一个必须考虑的参数.本文从二维高超声速进气道的最大总压恢复系数入手,通过理论分析给出了高超声速飞行器从2波系到6波系的二维高超声速飞行器前体进气道的一体化优化设计计算模型.采用拉格朗日乘子法和序列二次规划法(SQP)分别计算了进气道内一道内激波和两道内激波时的情况,给出了进气道的最大总压恢复系数、进气道内马赫数、激波偏转角和激波强度随来流马赫数的变化关系.比较两种方法的计算结果可知采用的计算方法是合理的.     

高超声速进气道气动弹性的影响研究

为了研究气动弹性对高超声速进气道性能的影响,基于模态方法对不同厚度的二维进气道薄壁结构进行气动弹性分析。首先,对DLR中GK01二维进气道实验模型进行数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好,验证了计算方法的可靠性。以此模型为研究对象,在时域内,对不同厚度的二维进气道薄壁结构进行气动弹性分析,其中二维进气道的模态数据从三维模态数据中提取。计算结果表明:(1)随薄壁结构厚度的增加,进气道的气动弹性特性由发散变为收敛,由于结构的固有频率比较接近,广义位移随时间的变化历程表现出"拍"效应;(2)即使是较小幅度的振动,也会对进气道性能产生较明显的影响,对于本文模型,其流量系数、总压恢复系数和压升比的最大变化幅度分别达到14.34%,25.07%和110.37%。因此,设计进气道结构时,应考虑气动弹性的影响。     

矩形截面高超声速变几何进气道研究

为了改善宽马赫数范围工作的进气道性能,对矩形截面高超声速变几何进气道进行了研究,提出并设计了一种包括唇口开启、唇口后退等几何动作的变几何进气道设计方案。据此在马赫数Ma=4.0～6.5范围内设计了矩形截面高超声速变几何进气道,采用数值仿真方法对其气动性能开展了研究,并与定几何进气道性能进行了对比。研究结果表明:设计马赫数及高于设计马赫数条件下,变几何进气道与定几何进气道的性能基本相同。低于设计马赫数时,变几何进气道的性能明显优于定几何进气道。     

溢流槽对二元高超声速进气道性能的影响研究

首先对澳大利亚HyShot计划进气道模型进行了数值模拟,得到了设计状态及非设计状态下的流场特征,以及进气道性能随来流马赫数的变化规律。根据分析,提出了在二元高超声速进气道内压段开设溢流槽的设计思路,设计了工作马赫数4.0～6.0范围的二元高超声速进气道,并给出了通过抬高或降低原设计槽口高度得到的两种新的开槽方案进气道的物理模型。通过数值模拟,结果表明：溢流槽有效改善了进气道的性能,拓宽了进气道的工作范围,槽口高度的不同对进气道性能有相当大的影响。     

侧板构型对二维高超声速进气道启动性能的影响

对侧板前掠和侧板后掠两种构型的二维高超声速进气道开展了自由射流试验和数值模拟,考察了侧板构型对进气道启动性能的影响。结果表明,侧板前掠进气道的启动性能要明显优于后掠构型。通过对壁面压力分布、油流试验和数值模拟结果进行分析,发现侧板后掠进气道不启动流场大规模流动分离位于底板一侧,而前掠侧板对底板附近的流动分离具有限制作用,使得前掠构型不启动流场大规模分离形成于外罩一侧。外罩一侧边界层更薄,抵抗反压能力更强,更不容易发生分离,这正是造成前掠构型启动性能更优的原因。     

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。     

二维超／高超声速进气道流场数值模拟

对超／高超声速三级压缩进气道流场进行了数值模拟,来流马赫数为4、6,进气道内流动为层流状态,根据二维Navier-Stokes方程,采用二阶精度Roe格式进行离散。按照流场特点,合理地设计网格分布及调整不同黏性范围的熵修正,防止了壁面附近过大的数值耗散,使计算结果更加合理。在进气道模型的各级压缩折转角处,获得了清晰的激波结构,在进气道内部的各种波系的相交、反射和激波诱导的边界层分离等现象都得到合理的描述。计算得到的压力分布,在各级压缩斜板上同简单波理论结果十分接近。用本文方法计算了另一个二级压缩进气道,沿上、下壁面的压力分布与试验比较符合得较好。     

不均匀进口总压对涡轮气动性能的影响

为了探究不同进口总压分布对涡轮气动损失的影响规律及作用机理,以 GE-E3 发动机高压涡轮的第 1 级导叶为研究对象,通过设定总压畸变高度和强度,利用数值模拟方法对多种涡轮进口 1 维分布形式下的涡轮气动性能展开研究。结果表明:当端区总压强于中展区总压时,静叶压力面附近流体向中展区汇集碰撞,出口效率降低;随进口总压畸变强度的提高,静叶出口效率线性降低;当端区总压弱于中展区总压时,静叶出口效率变化不大;单级涡轮出口效率随总压畸变形式变化的规律与静叶的类似。     

唇口对侧压式高超声速进气道及等直隔离段影响的数值分析

用N-S方程和RNGk-ε紊流模型计算了RBCC用侧压式高超音速进气道及等直隔离段三维内流场,重点分析了唇口位置对来流Ma=6流场的影响,并分析了有关的现象。结果表明:唇口位置前移使得出口截面上气流的均匀程度、对气流的压缩程度、唇口激波的强度、进气道的流量捕获率和总压恢复系数等都比唇口位置的情况更大,而在喉部时介于二者之间。      

高超侧压进气道溢流方案的改进与分析

为了提高高超侧压进气道的性能,通过在其侧板上方添加盖板与在底板开槽的方式对其溢流方案进行了改进.对原型与改型进气道进行了来流Ma =4 ～7流场的数值模拟,并对两进气道进行了Ma =4时不同攻角下的起动性能试验.结果表明,低马赫数时(Ma =4,5),在总压恢复系数基本保持不变的前提下,改型进气道的流量系数较原型进气道获得大幅提升,Ma =4时,提高20.6％,Ma =5时,提高11.5％.在流量系数增加的同时,起动性能也获得大幅提升,来流为Ma =4时,由-2°攻角下起动提升为+4°攻角下依然可以实现起动.由于溢流方案的改进针对低马赫数时的进气道流场,在高马赫数时(Ma =6,7),进气道的性能基本不变.研究表明,抑制侧板间溢流的同时引入底板溢流的方式是提高高超侧压进气道综合性能的有效途径.     

高超声速二元进气道顶板移动变几何方案数值模拟

针对一种工作于马赫数Ma=4~6范围内的高超声速二元进气道,探索了一种进气道部分压缩顶板可移动的简单变几何方案,利用数值模拟研究了接力点变几何进气道的自起动性能和Ma=4~6的调节方法。结果表明:部分压缩顶板可移动简单变几何进气道方案在Ma=3.7能够实现自起动;变几何所形成的自适应放气槽放气量很小,最大放气量在2%以内,关闭自适应放气槽接力点Ma=4流量系数达到0.77;在整个工作范围内流量系数较高、总体性能较优,该变几何方案的调节方法是切实可用的。     

级间进出口几何角度对压气机气动性能和封严效果的影响

为了削弱级间泄漏流对压气机性能的不利影响,提出了一种基于Coanda型几何进出口的级间结构,并以一个亚声速单级轴流压气机为研究对象,数值模拟了5°,10°,20°三种不同级间进出口几何角度对压气机性能的影响。结果表明:改进后的级间进出口几何结构使得压气机流量和效率均略有提升。分析原因是级间出口泄漏流以较小角度与主流汇合,增大了静叶进口气流的轴向速度、径向速度,使得静子通道流动堵塞程度减轻,总压损失减小,扩压能力增强。同时,新结构还减小了级间泄漏流的流量系数,改善了级间封严效果。5°,10°,20°角度下的压气机效率最大分别提升了0.68%,0.63%,0.62%。     

非均匀来流对新型高超弯曲激波二维进气道的影响

针对一种采用新型压升规律的曲面压缩面所设计的高超弯曲激波二维进气道,利用数值模拟方法研究了6种不同长度平板发展而来的非均匀流对其性能参数的影响,并和两种常规二维进气道吞非均匀来流的能力进行了比较,着重对比了设计Ma数下三种不同压缩形式进气道喉道截面的流场畸变程度。数值模拟结果表明,采用新型压升规律的高超弯曲激波二维进气道性能受来流气流不均匀性的影响较小,且喉道截面的流场畸变指数小,对非均匀来流具有一定的校正作用。