反压作用下隔离段性能估算方法研究

在前期隔离段研究结果基础上,对不同来流马赫数及不同反压下等直隔离段的出口温度、压力和马赫数进行了分析。通过大量拟合,得到了不同反压下隔离段出口温度、压力及马赫数间的拟合式,给出了预估任意反压下,隔离段出口马赫数和温度的方法;研究了隔离段最大承受反压与无反压下隔离段出口马赫数的关系,分别给出了均匀来流和非均匀来流时隔离段最大承受反压的拟合关系式,为最大反压比的估算提供了方法;同时还给出了均匀来流条件下等直隔离段长高比的工程选取拟合式。     

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.      

高超声速进气道隔离段反压的前传模式及最大工作反压

对均匀来流和有斜波入射(非均匀)情况下隔离段内流动进行了数值分析,发现反压增加首先在隔离段出口形成激波串,出口压力不断增加,而隔离段内流动没有变化;进一步增加反压,直到隔离段出口附面层开始分离时,激波串开始往隔离段内移动,壁面压力自激波串第一道激波位置开始逐渐增加;反压继续增加,激波串在隔离段内不断地向前移动。分析了隔离段内激波串的流动特征,发现激波串是由系列“斜激波 附面层分离 加速降压”流动组合而成,激波串后的流动为掺混流动(掺混区)。提出了最大工作反压的概念,当反压等于最大工作反压时,激波串位于隔离段出口,波后附面层开始分离,反压的任何增加,激波串就会往隔离段内移动;当反压小于或等于最大工作反压时,隔离段出口为超声速流动。研究还发现最大工作反压比由零反压时隔离段出口平均马赫数唯一确定,马赫数越大,最大工作反压比越大。最大工作反压比数值可用D.E.Nestler的拟合式来计算。     

反压对隔离段激波串结构的影响

采用不同的无黏通量格式与湍流模型组合对轴对称圆截面隔离段进行了数值计算,选取与试验结果最匹配的组合研究隔离段在反压作用下的流场结构及参数特性.对不同反压下的独立隔离段模型和隔离段燃烧室模型进行了三维模拟,分析了隔离段反压比对其流场结构、出口参数及其中激波串形态的影响.针对该轴对称隔离段提出了其可承受的极限反压.比较了冷态均匀反压与燃烧诱导反压下的隔离段流场.结果表明:无黏通量格式与湍流模型的选择影响着激波串的形态和长度,对于隔离段数值模拟十分关键;隔离段出口参数受反压影响,出口处在激波串区域时,附近截面上静压分布的不均匀性较大,出口处在混合区时压力分布则相对更均匀,激波串发展程度影响隔离段出口压力均匀性;对于该圆截面隔离段及燃烧室,直接给定均匀的平面冷态反压所产生的激波串与燃烧反压下的激波串在结构形态和起始位置上未见明显差异.      

中心线偏置隔离段内激波串振荡特性

采用非定常数值方法研究了一种中心线偏置隔离段内的激波串振荡特性,分析了隔离段出口反压及管道扩张比对激波串振荡特性的影响规律.结果表明:出口总压最大值对应激波串前缘最小位移,出口总压最小值对应激波串前缘最大位移.在一定大小反压条件下隔离段内出现激波串的自激振荡,在较高反压条件下激波串稳定在管道内部.在来流马赫数为2.0条件下,中心线偏置隔离段较等直隔离段更易出现激波串自激振荡.在出现激波串自激振荡时,在同一反压条件下,大扩张比（如37%）隔离段流场的振荡主频、幅度和出口平均总压均小于小扩张比隔离段.      

非对称超声速来流下矩形转圆隔离段研究

为了适应超燃冲压发动机模块化设计及圆形燃烧室的需求,隔离段必须设计成矩形截面渐变为圆形出口的形状。发展了一种基于超椭圆曲线的截面渐变方法,以此设计了矩形转圆隔离段,开展了数值模拟研究并进行了在Ma=2.1且来流条件非对称下的矩形转圆隔离段吹风实验。研究结果表明:在反压相同时,两种不同来流条件下矩形转圆隔离段的出口总压恢复系数较等直矩形隔离段分别提高了4%和5%;在非对称来流实验条件下,矩形转圆隔离段壁面沿程压力分布规律与等直矩形隔离段压力分布规律趋势一致,上壁面沿程压力曲线前部呈波动式上升,后半部上升平缓,而下壁面沿程压力曲线整体上升较为平缓,随着出口反压的增大,总压恢复系数随之减小,矩形转圆隔离段最大能够承受4.1倍的来流静压,极限反压状态下出口总压恢复系数为0.505。     

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%。     

带等宽度平直斜楔的非对称来流短隔离段实验

为了提高超燃冲压发动机隔离段耐反压能力以及缩短隔离段长度,设计了一种带等宽度平直斜楔的隔离段,斜楔放置在隔离段进口下壁面厚附面层一侧,在Ma=1.98非对称的隔离段进口来流条件下完成吹风实验.实验结果表明,隔离段加等宽度平直斜楔后可在相同的反压下使激波串相对长度从13.87缩短至11.12,比基准隔离段激波串长度缩短了19.8%.同样的隔离段加斜楔后能够承受的最大反压从来流静压的3.55倍上升到3.85倍,提高了8.45%左右.      

反压诱导方式对超燃冲压发动机隔离段流动特性影响

为了探究传统机械限流方式同燃烧释热对隔离段流动特性影响的异同,采用实验结合数值计算的方法研究了限流方式与实际燃烧诱导压升的差异.使用氢燃料进行不同当量比的燃烧实验,并使用燃烧室出口安装楔块的方式进行限流实验,对比了来流条件相同,且隔离段出口压比相同时两种实验下的压力分布.使用经过验证的数值方法模拟了不同隔离段出口压力下燃烧状态及对应的限流状态,对比了两种状态下隔离段流场细节.实验结果表明:激波链即将进入隔离段时,两者的压力分布大致相同;激波链进入隔离段后,隔离段出口压比2.3,两者的壁面压力分布有明显差别.此状态下的计算结果表明:燃烧状态下隔离段内分离区首先出现于下壁面,激波链向上偏折;而限流状态分离区出现于上壁面,两者的流场会有一定差异.反压继续增大的计算结果表明:隔离段出口压比达3.0时,两者的隔离段内流场差别逐渐减小并最终趋于一致.燃烧反压场与限流实验的模拟反压场一致时,才能直接采用限流实验的结果评估反压对进气道的扰动风险.      

中心线偏置隔离段内激波串迟滞特性研究

采用定常与非定常数值计算相结合的方法研究了一种中心线偏置的隔离段流场,分析了不同反压作用下的激波串特征。通过模拟隔离段反压升高和降低的过程,研究了隔离段内激波串的迟滞特性,并比较了扩张比为0,10%,37%隔离段内迟滞特性的差异。结果表明,在来流马赫数2.0条件下,所研究隔离段内存在两种类型的迟滞现象;在同一反压条件下,降压路径对应的激波串更靠近管道入口。当反压接近隔离段所能承受的最大反压时,流场迟滞现象消失。隔离段扩张比越大(如37%),激波串位置出现迟滞的反压范围越宽,迟滞量越小。最后利用流量匹配的观点从无粘角度解释了有粘流道内的激波串迟滞现象。     

典型二元高超声速进气道设计方法研究

综合了一系列典型二元高超声速进气道的设计和性能估算方法, 给出了可行的设计原则.在满足流量、增压以及工作范围(起动性能和反压承受能力)的条件下, 给出了进气道进口、外压波系、内压缩通道、唇罩及隔离段的设计方法.采用此方法, 以H=22800 m、Ma0=6为设计点, 完成了一高超声速进气道的初步设计, 并估算得到了进气道性能参数、进气道的起动马赫数和反压承受能力, 对比CFD计算结果, 误差不大.通过该方法得到的进气道具有结构简单、流量系数大、压缩损失小的特点, 不通过优化即可得到性能较为良好的模型.      

双模态冲压发动机进气道/隔离段流场的数值研究

进气道/隔离段装置是双模态冲压发动机的关键部件,在为发动机提供足够的空气流量的同时,还要有良好的起动特性和良好的出口流场品质。采用有限体积法,隐式的二阶TVD迎风格式和S-A湍流模型,对进气道/隔离段装置进行了数值研究,分析了不同收敛角以及不同外罩长度对进气道/隔离段性能的影响。研究结果表明隔离段进口在马赫数高,畸变小的情况下承受反压能力强,流场出口品质好。      

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。     

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。     

高超侧压式进气道高焓脉冲风洞实验

为验证一种双楔顶压、侧板中置的侧压式进气道基本性能,设计了一套进口面积为110mm×91mm的双流道试验模型,并在300mm马赫数6的高焓脉冲风洞中进行了吹风实验。实验测量了进气道和隔离段内的沿程静压分布和隔离段进出口截面的皮托压力分布,分析了进气道内的典型流场特征,获得了进气道的基本性能参数,并以马赫数的测量为例阐述了流场不均匀性对测量结果可能造成的影响。实验结果表明,马赫数6来流条件下,该侧压式进气道流量系数为0.83,隔离段出口平均马赫数为2.57,总压恢复系数为0.296,增压比为23.7,表明这种侧压式进气道的气动布局方式能够获得较好的总体性能。     

超燃冲压发动机燃烧室冷态流场研究

利用西北工业大学电阻加热超声速燃烧室直连式实验设备,针对自行设计的超声速燃烧室模型,在燃烧室入口马赫数Ma=2.0、入口流量m=0.73～1.0kg/s、入口总压p_t≈(7～8)×105Pa、入口总温T_t为室温条件下,开展了不同燃烧室进口流量、隔离段长高比以及燃烧室出口堵塞比情况下的燃烧室冷流实验;采用CFD商用软件对燃烧室冷流流场进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了对比和分析.研究结果表明,增加隔离段的长高比,可以提高燃烧室抗反压的能力,燃烧室出口压力场的畸变对燃烧室内部流场有较大的影响,同时通过计算结果与实验数据的对比验证了计算方法的适用性.