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。     

采用几何方式组合壁面压力/马赫数分布的弯曲压缩面

根据给定壁面参数分布规律反设计压缩面的方法,通过几何方式组合研究了壁面采用压力/马赫数复合分布规律的弯曲压缩面,分析了压缩面的参数分布和性能特点.在与参考二维进气道相同约束条件下,将弯曲压缩面应用于二维进气道,分析了其性能并与参考二维进气道进行了对比.数值研究结果表明:几何方式组合能充分发挥壁面按单一参数设计所得弯曲压缩面的优势,使壁面参数分布得到有效改善并趋于更加合理.同参考二维进气道相比,几何方式组合进气道的外压缩面长度有所增加,但在来流马赫数在4~6范围内它的喉道总压恢复系数均得到显著提高.来流马赫数为6时,几何方式组合进气道的喉道总压恢复系数提高10%;来流马赫数为4时其喉道总压恢复系数提高9.6%.     

非对称来流下带隔板的二维短隔离段研究

在隔离段中放置隔板，可以在满足气动性能的前提下缩短隔离段的长度。采用数值计算的方法对带隔板的二维隔离段与不带隔板的隔离段性能进行了比较，对非对称来流条件下不同进口附面层厚度隔离段内弯曲隔板的形状进行了研究，给出了非对称来流条件下隔离段内弯曲隔板的设计参数。结果表明，在进口马赫数为2，隔离段进口下板附面层厚度δ／H=0．24，上板附面层厚度为0时，通过放置弯曲隔板，在进出口压比相同与出口总压恢复系数基本不变的情况下，隔离段长高比减小了33％。     

三维超声速燃烧室凹腔构型的优化设计及参数分析

凹腔构型对超声速燃烧室的燃烧效率、阻力特性、火焰稳定等性能都有重要的影响,且凹腔构型各参数变化产生的影响存在复杂的耦合作用。因此,针对横向喷射燃料的三维超声速燃烧室凹腔构型进行了基于代理模型的优化设计及参数分析研究。首先对凹腔的长度、深度和后壁倾角进行正交试验设计,数值仿真用以对凹腔燃烧室进行流场与性能分析,建立燃烧室燃烧效率和总压恢复系数与设计变量间的代理模型,根据基于替代模型的复杂系统优化策略,采用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对凹腔构型进行二次优化设计,得到Pareto前沿面。结果分析表明,优化凹腔构型可分为窄深型、浅长型和中深中长型,分别对应Pareto前沿面的急变段、平缓段和巨变段;凹腔燃烧室的燃烧效率与凹腔长度呈负相关,与凹腔深度呈正相关,总压恢复系数反之;后壁倾角对总压恢复系数和燃烧效率影响均较小。平缓区的燃烧室压力幅度变化小且总压恢复系数高,其长深比在2.67~8,在不需要极高的燃烧效率情况下,可以优先选择平缓区凹腔构型。     

基于人工神经网络的静子叶片优化设计

采用NURBS参数化构型技术以及人工神经网络技术,对某两级风扇的第二级静子根部叶型进行优化改型。优化后,非设计点处该静子根部至中部流动得到较大改善,总压恢复系数有一定的提高。风扇总压比有较大增加,绝热效率基本不变。优化结果表明,该方法能够对静子叶片进行较好的优化改善,能够提高优化效率,减少优化时间,具有一定的实用价值。     

S弯进气道优化设计及分析

为改进隐身飞行器推进系统的气动性能,针对S弯进气道开展了设计和分析。基于数值模拟方法、代理模型和遗传算法构建了一套自动优化方法。在优化设计过程中,结合参数化建模、网格自动生成和改进(SST)湍流模型求解,应用优化方法对飞行器进行了多目标设计,得到了进气道的优化推荐构型。应用尺度自适应模拟(SAS)方法对优化进气道气动性能进行了全面和细致的分析。研究结果表明:SAS方法可以较好地模拟S弯进气道的流动,优化设计能够极大地改进S弯进气道的气动性能;相比原始设计,优化进气道设计点的总压畸变指数降低了16.3%,总压恢复系数提高了1.1%。     

几何尺寸对高超声速进气道气动性能的影响

为了探索模型缩尺比对高超声速进气道气动性能的影响,对不同缩尺比的二元高超声速进气道开展了数值模拟研究,结果表明：随着缩尺比的增大,进气道流量系数、隔离段出口总压恢复系数和马赫数均逐渐增大,而静压比逐渐减小,且来流马赫数越高,上述参数变化幅度越大。由理论与数值模拟分析可知,上述现象主要是由于不同缩尺比下,进气道当地雷诺数不同,导致进气道附面层相对厚度变化,进而影响进气道气动性能。理论分析了进气道总压恢复系数与缩尺比的定量关系,就进气道而言,进气道进口处附面层相对厚度减小1%,隔离段出口总压恢复系数提高约0.7%。     

一种基于流管收缩比分析超声速进气道临界性能的方法

为研究进气道临界总压恢复系数与主要几何特征之间的联系,通过零维流动分析,提出了一种基于流管收缩比计算临界总压恢复系数的理论公式,并与通常采用的基于喉道参数的计算方法进行对比分析,阐述了两种计算方法的不同物理意义。该公式表明,进气道临界总压恢复系数等于流管收缩比、函数K(Ma_th)及Q(Ma∞)三项乘积。研究了计算公式中各变量对临界总压恢复系数的影响,分析表明流管收缩比是决定临界总压恢复系数的重要变量。在大多数情况下,流管收缩比与临界总压恢复系数具有正相关的变化规律。      

高超声速弯曲激波压缩侧压式进气道数值研究

采用壁面马赫数呈线性分布的曲面压缩系统改进参考侧压式进气道的顶板,得到弯曲激波压缩侧压式进气道,并与参考侧压式进气道进行了比较.数值研究结果表明:设计状态无黏时曲面压缩顶板壁面马赫数分布与给定的马赫数分布基本一致,并且有黏时其壁面压力分布也与二维曲面的基本相同;同参考侧压式进气道相比,顶板采用曲面压缩能够一定程度地改善壁面压力分布,使其末端压力梯度变化平缓;并且非设计状态下的性能也得到有效地改善,特别是来流马赫数为4时,其流量系数提高6.0%、达到0.799,喉道截面总压恢复系数提高1.9%;来流马赫数为5时,其流量系数提高5.2%、达到0.909,喉道截面总压恢复系数提高3.2%.随着攻角增大,该进气道流量捕获能力增强、隔离段出口截面流场畸变减小,但喉道截面总压恢复系数下降剧烈.      

畸变气流影响下C-SiC复合材料隔离段稳态特性试验研究

为了研究畸变气流影响下烧蚀后的C-SiC复合材料隔离段性能,开展了马赫数2.5来流下模拟进气道喉道流场畸变的隔离段直连试验,同时对比研究了光滑不锈钢材质和不同目数砂纸隔离段性能,获得了C-SiC复合材料、不锈钢材质和砂纸隔离段的性能数据。结果表明:(1)烧蚀后的C-SiC隔离段的耐反压能力与光滑不锈钢材质隔离段相比下降了11.7%,总压恢复系数下降了6.96%,与40目砂纸隔离段相比,烧蚀后的C-SiC材料隔离段的耐反压能力和总压恢复系数更低;(2)烧蚀后的C-SiC隔离段性能大幅下降的实质在于表面不平度过大导致激波串前参数的改变,不平度越大,激波串前马赫数就越低,动量损失厚度也就越大,隔离段性能也相应下降更多。     

曲锥前体/三维内转进气道一体化设计与分析

对圆锥流场在不同攻角条件下的气动特征进行分析,以流线追踪技术为基础,发展了一种曲锥前体/三维内转进气道一体化设计方法,获得了三个几何参数对一体化方案外形和性能的影响规律。研究发现,三维内转进气道侧壁外扩角对进气道流量捕获系数影响明显,而捕获形状圆心角对进气道的影响主要表现在几何特征上。此外,进气道流量捕获系数随外压缩段总长度的增大而减小。基于对捕获形状的研究,设计了一种曲锥前体/三维内转进气道,并通过数值模拟对该方案进行研究。结果表明:在设计点来流马赫数为6.0时,该方案进气道流量捕获系数能够达到0.93,且具有0.61的总压恢复系数;在非设计点来流马赫数为5.0时,流量捕获系数能够保持在0.86,总压恢复系数为0.77。      

压力分布可控的高超声速进气道/前体一体化乘波设计

在二维弯曲激波高超声速进气道基础上,发展了一种压力可控的进气道/前体一体化乘波设计方法。通过事先指定前体/进气道壁面压力分布,结合二维特征线反设计方法,可以逆向设计出流向、横向压力分布规律都可控的进气道/前体外压缩段型面。采用该方法,设计了一种二维进气道/前体一体化方案,并对其进行数值模拟。结果表明：设计状态下,与不带侧板二维进气道相比,此类一体化方案中的进气道设计状态流量系数提高27%,出口压比提高48.5%,总压恢复系数提高10%;与楔导乘波理论设计的一体化方案相比,压力可控的一体化方案具有相似的外形尺寸和乘波特性,但进气道流量系数则较楔导乘波方案提高了5%,进气道出口压比提高6.4%,总压恢复系数提高2.3%。     

大量附面层吸入S弯进气道内吹气控制

为了提高某大量附面层吸入的半埋入S弯进气道气动性能,采用数值模拟方法对其进行吹气控制研究并详细分析了吹气控制机理及吹气位置、吹气量、吹气角度变化对控制效果的影响.结果表明:吹气位置变化显著影响控制效果,最佳吹气位置位于气流分离点稍前的第1弯附近,该位置吹气比为1.75%、吹气角度为20°吹气时总压恢复系数相对原型提高约0.56%,出口周向总压畸变系数和旋流畸变系数分别下降约43.14%和83.60%;吹气角度并非越大越好,吹气时需尽量满足吹气角度较小,保证吹出的气流始终位于附面层内,避免与主流掺混而造成损失;总压恢复、出口周向总压畸变以及旋流畸变三者随吹气量变化的趋势不同,吹气量越大进气道总压恢复及总压畸变改善越明显,而旋流畸变随吹气量的增加先快速下降,随后变缓,最终甚至出现增加的趋势.      

波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣S型混合二元喷管,保持波瓣混合器长度、内扩张角、外扩张角以及宽高比不变,依次取波瓣混合器波瓣数为12,14,16,18,20,建立了一组具有不同波瓣数的波瓣S型混合二元喷管模型.采用经过验证的CFD方法,研究了波瓣数对波瓣S型混合二元喷管气动热力性能的影响规律.结果表明:在波瓣尾缘截面至第1个S弯截面区域,波瓣数对流体混合程度产生很大影响,并且热混合效率近乎随波瓣数增加而增加.在第1个S弯截面至波瓣S型混合二元喷管出口截面区域,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的总压恢复系数始终最低,其余模型的总压恢复系数以及热混合效率没有明显差别.在波瓣S型混合二元喷管出口截面上,波瓣数为16的波瓣S型混合二元喷管模型的热混合效率最高,达到0.850,然而其总压恢复系数相对于该截面上最高值下降了0.289%.此外,波瓣S型混合二元喷管的渐缩型流道能够提高流向涡强迫混合效果,但同时也加速流向涡的耗散速率.      

斜流压气机扩压器设计和流场的数值模拟研究

以匹配某高增压比斜流叶轮为目标,设计了Z15、Z16和Z17三个扩压器方案,然后以斜流级（斜流叶轮＋扩压器）为研究对象,展开了三维粘性数值模拟研究,分析了不同方案扩压器的总体性能以及内部流场结构。研究结果表明,设计方案满足匹配斜流叶轮的目标,三种方案的整级最大绝热效率均超过82％,最大总压比超过5．6,大多数工况点的静压恢复系数大于0．6,总压恢复系数大于0．92。其中．Z16方案气动性能最优。     

下颔式进气道实验研究

为了验证下颔式进气道 /前机身一体化设计方案的合理性及其进气道性能 ,对下颔式进气道 /前机身一体化设计方案进行了实验研究。测出了进气道总压恢复系数、畸变指数随流量系数、攻角、侧滑角的变化规律。结果表明 ,进气道性能较好 ,进气道 /发动机匹配良好。最后提出了下颔式进气道的进一步改进措施     

极限条件下的大角度扩散段优化设计数值模拟

为提升某低速风洞大角度扩散段静压恢复性能,降低总压损失至分流隔板的水平,采用计算流体动力学(CFD)方法对该扩散段不同设计方案进行了模拟.采用阻尼网能有效抑制分离,阻尼网布置位置和开孔率对大角度扩散段内的流动状态和总压损失有很大影响.使用直线壁面扩散时,由于扩散角过大,第1层阻尼网对抑制大角度扩散段入口分离效果很弱,总压损失无法达到预期设定指标.采用三次曲线壁面扩散时,总压损失明显降低,小于预期指标,但存在小范围的分离.分级扩散能有效降低总压损失,按照最大静压恢复设计的分级扩散段,避免了入口的气流分离,能大幅度降低总压损失.对分级扩散的进一步研究表明,按照最大静压恢复设计的第1级扩散段扩散角已达到上限,为抑制第3级扩散段的分离,缩短第2级扩散段,减小第3级扩散段扩散角的方法是合理的.通过对不同方案流态的比较得出了最佳的参数匹配,总压损失指标达到了设计要求.因此采用数值模拟能够获得最佳的大角度扩散段设计结果.      

二元曲面可调进气道流量系数精确预测方法

为了满足二元曲面可调进气道模态转换马赫数范围(来流马赫数为2.2~3.2)的流量要求,针对唇口平移、转动和转动+平移三种调节方案,基于理论分析和基准进气道的流场,提出了一种流量系数精确预测方法,并通过数值计算进行验证且获得了进气道的总体性能。结果表明:调节后的进气道流量系数与预测值完全相等,而且无需多次试算,符合设计预期,可拓展应用于轴对称进气道。相对基准进气道,唇口前移时流量系数和压缩效率同时增加,来流马赫数为2.5时出口总压恢复系数相等而增压比增加了14.6%;在降低相同流量系数条件下,后移唇口使得增压比和压缩效率均降低,来流马赫数为2.5时出口总压恢复系数基本相等而增压比减小了12.9%,转动唇口使增压比进一步减小了9.1%,唇口后移方案性能更优。      

Redesign of an 11 cm-diameter Micro Diffuser

In order to improve the performances of an 11 cm-diameter turbine engine, this article suggests to substitute a new-style micro diffuser redesigned based on a new concept for the traditional diffuser having poor performances. The new diffuser comprises integral blades and splitters, which are taken for a series of ducts in designing. This article investigates the effects of the cross-section area distribution along the flow path on the redesigned diffuser's performances. Having furnished with the new diffuser in place of the original vaned one, the 11 cm-diameter prototype engine is tested on the rig for its performances. CFD and experiments have shown that the improved diffuser with the unchanged original size has gained excellent performance parameters of pressure coefficient over 0.65 and total pressure recovery coefficient over 0.9. Equipped with the redesigned micro diffuser, the engine increases the thrust by 11% and decreases the specific fuel consumption by 9%.     

二维弯曲等截面管道中的激波串特性研究

利用Carroll的试验数据验证了数值方法的有效性之后,对二维等截面弯曲管道中激波串的特性进行了数值模拟试验,研究了管道弯曲对激波串的结构与特征长度、壁面沿程静压分布、出口截面马赫数与总压恢复、反压特性等的影响,研究中考虑了不同的进口马赫数和边界层厚度。结果表明,管道弯曲对流动的对称性有着明显影响,当马赫数较高时(如Ma₀=2.45)合适程度的管道弯曲有利改善直管道已有的流动不对称,使激波串长度缩短。管道弯曲能够有效抑制出口压力变化所导致的出口截面马赫数的大幅波动,考虑到低压比时(出口Ma_e>1)直、弯管道之间总压恢复系数存在明显差距,而当压比较高时(出口Ma_e<1)两者相当接近,因此亚燃发动机的超声速扩压器可适当使用大曲率以缩短管道的轴向长度。另外,鉴于弯曲管道与直管道内激波串长度之间的明显差异,已有的基于直管道的激波串长度经验公式不能很好地适用于弯曲管道。