圆管内高超声速流的发展和激波形态的实验研究

本文的研究目的是了解沿圆管内发展的高超声速流的结构。实验是在加拿大多伦多大学的高超声速炮风洞内完成的，风洞的自由射流马赫数Ｍ＿∞＝８．３０，总温Ｔ＿（ｔ∞）＝１０００Ｋ，总压Ｐ＿（ｔ∞）＝２６．５ＭＰａ单位雷诺数Ｒ＿ｅ＝３．２×ｌ０￣７。壁面静压以及内流中的若干截面内的皮托压力和静压测量结果揭示，管内产生的激波主要是斜激波形态，而且存在着较强的激波与边界层的相互干扰。实验发现，近管中心线的高超声速流动有不稳定现象；壁面的边界层，基本上是湍流边界层，特别是干扰区的下游；圆管出口的周向内壁面的顶壁面静压对管的攻角异常敏感。本文提供的结果，可以指导高超声速流的计算流体力学的方法和进展。     

高超声速内转式进气道流动的壁面丝线显示

针对风洞实验观测高超声速内转式进气道内部流动困难,不易获得内流道三维激波/边界层干扰主导的复杂流场结构的问题,通过拓展壁面丝线流动显示技术的潜力,在Ma∞5.9激波风洞中,借助高速摄影实时拍摄丝线流谱,并结合纹影、壁面压强测量以及数值模拟分析,验证了丝线的动态响应特性,丰富了内转式进气道的观测技术,获得了进气道的流场结构。采用预设堵块实验方法,在激波风洞中考核了内转式进气道模型的自起动能力。结果表明,直径约为0.1 mm,长度约为15 mm的402号涤纶/棉缝纫线的跟随性较好,能够直观、动态地显示出壁面流动分离区的范围,为判断内转式进气道是否起动提供了依据。内转式进气道模型在实验条件下能够自起动,起动状态下进气道唇口附近的波系结构以及前体压缩面的丝线流谱和压力分布与数值模拟符合较好。     

高超声速二元进气道脉冲起动双波结构的理论与数值研究

为了研究高超声速进气道的脉冲起动特性,对二元高超声速进气道在脉冲风洞中流场建立过程进行了数值模拟,并根据运动激波关系式建立了双波结构数学模型,分析了进气道脉冲起动过程中双波结构的产生及传播过程。研究表明通过理论计算得到的双波结构气动参数与仿真结果基本一致。结合仿真发现进气道脉冲起动过程流场的主要特征包括:运动激波与斜激波相交、激波/边界层相互干扰以及分离包的空间位置和自身体积变化、进气道自起动过程等。另外结合双波结构计算模型,通过仿真研究了影响双波结构流动参数及影响进气道脉冲起动特性的因素,发现初始条件影响进气道的脉冲起动特性主要是通过改变双波结构的强度实现的。      

某典型二元高超声速进气道内二次流分析

对某典型二元高超声速进气道三维流场进行了数值分析，将固壁面压力分布的计算结果与试验结果进行了比较，二者吻合较好，表明数值模拟方法正确，结果可信。分析了高超声速进气道流场的波系结构以及进气道(含隔离段)内二次流特征。给出了外压缩波系下的角涡的形成和发展规律，在侧壁与压缩面相交角区形成为逆时针方向角涡，角涡的形成、发展与近壁激波／侧壁附面层干扰以及压缩面有关。分析了隔离段中的激波的反射状况，提出了隔离段二次流的形成和发展规律以及影响因素。在隔离段进口附近存在一分离区。隔离段内二次涡的形成、发展和消失由上下壁面的压差，激波的移动方向(波后气流的横向流动)等决定。研究还表明对于高超声速进气道即使是二元进气道，也要关注二次涡的存在和发展。     

吸气式高超声速推进助推段内流振荡及其抑制

为了掌握高超声速飞行器盲腔流场的激波振荡机理,采用"双时间步"方法对轴对称吸气式高超声速飞行器内流道盲腔流场进行了非定常数值模拟。结果表明,飞行器内流道出现了非定常激波振荡现象,内流道壁面压力出现了低频高幅的周期性变化。为了消除高超声速飞行器内流道的激波振荡现象,设计了级间段泄流方案,对飞行器进行了内外流一体化定常和非定常的数值模拟。结果表明,级间段泄流方案可以有效地消除内流道的激波振荡现象。     

超声速三维进气道内激波干扰的研究

为了为三维进气道的设计提供有用的分析数据,对高超声速和超声速来流下三维进气道内激波干扰进行了理论和数值研究。进气道模型选取"箱式"以及三面侧压进气道作为研究对象。理论分析采用了"空间降维"方法,即将进气道各个角落处的三维双楔定常激波干扰问题转换为二维非定常激波干扰问题,并利用激波动力学对其进行求解。数值验证方法利用2阶NND差分格式求解三维无粘欧拉方程,网格数量为1200多万,并采用MPI并行进行计算。该理论分析方法很好地对进气道各个角落处的激波干扰波系结构进行了判别,并得到了干扰区马赫构型三波点附近以及规则构型反射点附近的解析解,理论分析结果与数值模拟结果吻合较好。此外,针对进气道截面内各个流场区域的总压恢复系数以及压力、密度和温度进行了研究,并考虑了箱式进气道和三面侧壁压缩进气道内的流场区域的非均匀性,干扰区马赫杆后的总压损失要比其他区域高10%左右。通过研究表明,"空间降维"方法适用于进气道压缩部分,将为进气道的设计和性能评估提供一种理论分析手段。     

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。     

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。     

基于二维曲面基准流场的流线追踪高超声速进气道设计

以压力梯度可控设计方法优化后的二维曲激波基准流场为基础,结合流线追踪和截面渐变技术实现了矩形进口、圆形进口以及方转椭圆进气道设计,证明基于二维曲激波基准流场可以设计出各种进出口截面形状的高超声速进气道.利用上述设计方法设计的3种不同进出口形状的高超声速进气道,与相同约束条件下的常规二元三楔进气道进行了对比.数值仿真研究表明:3种非常规进气道设计点无黏流场马赫数分布及总体性能与基准流场接近,具有二维基准流场的特征,波系结构简单,出口畸变较小.此类进气道的总体性能相当,较常规进气道可以显著缩短外压段长度,流量捕获能力更强,非设计点也表现出良好的性能.以上结果表明该设计方法是可行的,值得进一步研究.      

超声速和高超声速横向喷流数值模拟

为了解横向喷流的干扰影响和喷口附近的流场结构,采用分块对接网格和“0”型网格技术,数值求解N—S方程来模拟超声速和高超声速流场中横向喷流的干扰流场。对两种尖拱弹身外形的超声速和高超声速喷流干扰流场进行了数值计算,计算结果与风洞实验数据吻合一致。在此基础上,开展了某型导弹多喷构型干扰流场的数值模拟,得出一些横向喷流数值模拟的结论。     

进口畸变下非定常数值模拟进口边界数学模型

进口畸变下压气机内存在的不同空间和时间尺度的非定常流动之间的相互作用是进口畸变对压气机性能影响的重要流动机理.介绍了一种用于周向进口总压畸变下单转子通道内非定常数值模拟的进口边界简化模型,并基于该模型进行了三维非定常数值模拟.数值模拟结果显示了进口周向总压畸变的大尺度总压脉动和压气机转子通道非定常分离流场的相互作用过程.该模型为周向进口畸变的三维非定常数值模拟提出了一种简化方法.      

旋转盘腔瞬态响应特性的研究

为保证发动机在飞行包线内正常运转,需研究旋转盘腔的瞬态响应特性。采用1-D模型方法和计算流体力学(CFD方法对旋转盘腔进口压力突升的情况进行非稳态数值计算,所得结果与文献中的结果进行对比,提出1-D模型方法的一些缺点,并证明了CFD计算的正确性。然后用CFD方法并通过用户自定义函数(UDF编程研究了进口压力渐增、正弦变化以及盘腔尺寸对旋转盘腔流动瞬态响应特性的影响。结果表明:1-D模型的计算结果不能显示出CFD模型计算结果的一个高阶震荡;进口压力以不同方式变化,瞬态响应存在不同程度的滞后;进口压力突增和进口压力渐增响应的特征时间比进口压力正弦变化的特征时间分别增加56.0%和106.4%盘腔宽径比由0.2变化到0.39时,腔内均压变高,出口质量流量变低,特征响应时间缩短至40%当宽径比由0.2变化到0.58时,特征响应时间缩短至25%。     

高超进气道临界起动特征

通过对一种吸气式高超飞行器模型的Ma=7风洞吹风试验结果的分析,获得了高超进气道不起动、临界起动和起动状态的流动特征,包括流动图谱、压力分布和气动力分布;并将进气道内收缩比值与等熵理论最大起动收缩比限、自起动最大起动收缩比限和经验最大起动收缩比限做了对比分析,分析结果有助于高超进气道的设计和起动性能的评估.      

高超声速进气道-隔离段反压引起不起动计算

1引言隔离段是高超声速进气道不可缺少的组成部分,它是进气道与燃烧室之间的气动热力缓冲段。隔离段的主要作用是承受下游燃烧室的反压变化而不影响上游进气道的流态,避免进气道出现不起动。隔离段应在承受反压变化的同时不破坏上游进气道流场,组织好隔离段内所形成的激波串,高     

一种进气道自起动特性检测方法

发展了一种应用于激波风洞中快速检测高超声速进气道自起动能力的实验方法。该方法通过在隔离段内预先设置轻质堵块,迫使进气道在风洞运行初期不起动,待堵块被吹出后,流道恢复畅通,进而考察进气道是否具有起动能力。实验采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,对二元高超声速进气道的起动特性进行了研究。通过对纹影照片以及相应的壁面压强信号的分析,对所发展的自起动检测方法的可靠性进行了考核,并进一步研究了内收缩比对进气道起动特性的影响。在激波风洞中获得了进气道自起动过程以及起动／不起动双解区的流场特征和相应的壁面压强变化历程。     

典型二元高超声速进气道与侧压式进气道的性能比较

在相同的约束条件下运用高超声速进气道已有的相关设计方法设计了两类典型的二元进气道与侧压式进气道,利用数值模拟手段对两类进气道的流场结构和总体性能开展了对比研究.研究发现,二元进气道出口流场畸变较小,流场均匀性优于侧压式进气道;二元进气道流量系数对飞行马赫数的敏感程度远高于侧压式进气道;设计点,二元进气道性能优于侧压式进气道.非设计点,尤其在接力状态下,侧压式进气道性能突出;侧压式进气道阻力特性优于二元进气道,而二元进气道的前体升力则高于侧压式进气道.      

单边膨胀喷管试验和数值模拟

在落压比为4～60范围内,对两种不同膨胀型面的高速二元单边膨胀喷管模型试验件(SERN 1和SERN 2)进行了试验研究,获得了壁面静压分布和纹影照片.用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息.试验和数值模拟结果表明:下腹板出口气流处于深度过膨胀状态时,喷管内部激波/边界层相互干扰并存在4～5道斜激波,而且SE...     

多点集中力下高超进气道弹性变几何研究

针对二元高超声速进气道需在宽马赫数Ma为4.5～6.0的范围内工作的要求,探索了一种在多点集中力作用下进气道曲面压缩面弹性可调的变几何方案.通过数值计算,首先对集中力数目的选取进行了研究,发现3个集中力对型面变形更为有效;然后对在3个集中力作用下产生变形的进气道进行了流固耦合分析,结果表明变形型面的静压分布与理想型面的静压分布基本吻合;对其性能进行分析,结果表明:Ma为6.0设计的进气道,变形后在Ma为4.5,5.0流量系数分别达到0.98和1.00,且出口总压恢复系数与未变形的进气道相比基本保持不变.由此说明,多点集中力下弹性可调的变几何方案是可行的,并有助于提高非设计点下进气道的性能.      

超声速进气道数学模型研究

应用数值模拟方法对二级斜板可调的二元混压式超声速进气道的内流场性能进行了研究，根据数值模拟二元混压式超声速进气道内流场的计算结果，得出每个网格点上的压力，温度，速度及密度等参数，从而求出进气道的总压恢复系数和流量系数，并归纳出进气道主要性能参数与状态参数和几何调节参数之间的关系，得出进气道的特性曲线，建立了二元超声速进气道的数学模型，利用此数学模型，可确定进气道在不同状态下的主要内容特性参数值，并作为建立带进气道、矢量喷管的发动机数学模型的建模基础，对进气道、发动机、矢量喷管的一体化控制有重要的参考价值。     

黏性彻体力建模方法及其应用

研究了将Navier-Stokes方程中黏性项简化为黏性彻体力的建模方法,并将该模型加入已有的计算流体力学(CFD)程序中,实现了用三维欧拉方程加黏性彻体力模型快速模拟叶轮机三维非定常流动的方法.使用该方法对进气周向总压畸变条件下的某双级压气机非定常流场进行了模拟,并与雷诺平均的Navier-Stokes(RANS)程...