壁面温度对斜爆震发动机进气道流动特性影响的数值研究

为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响,选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟,对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明,进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象,壁面冷却对其起抑制作用,绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩,同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移,进气道内通道的转捩为分离诱导转捩,转捩位置主要受到分离点位置的影响,整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚,转捩状态下热边界层厚度变化可达5%,温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加,且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时,层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚,约为层流状态3倍,同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。     

真实气体效应对Ma10级进气道流动的影响

为了探究高马赫数超燃冲压发动机高速飞行时真实气体效应对进气道流场的影响,仿真获得了不同气体模型下Ma10级进气道流场结构和性能。结果表明:进气道主流流场温度较低,不足以触发空气的离解反应,反应仅发生在边界层内,但反应程度较低,远未达到化学平衡状态,除了边界层温度及热载荷特性,其流场结果则更为贴近冻结流流场,因而化学非平衡模型与热完全气体模型的进气道通流流场结构和性能基本一致。而真实气体效应导致边界层特性的不同,对进气道起动特性产生影响,吸热离解反应通过对进口分离包的抑制和增大进口马赫数将进气道的再起动马赫数从9.8降低到9.4。在对进气道在宽速域应用中的钝化设计研究发现,真实气体效应虽然对前缘钝化进气道流场的压力分布和性能无明显影响,但是其能起到整体降低壁面热流的作用,不仅钝头处的热流降低了1MW/m2,通道内的热流也整体降低了0.1MW/m2。     

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。     

高超声速楔面边界层流动稳定性分析

为分析前缘钝化对高超声速二元进气道压缩面边界层转捩的影响,针对抽象出的楔面外形,在风洞来流条件下,应用线性稳定性理论(Linear Steady Theory)分析了前缘钝化半径R=0及R=0.5mm的楔面边界层流动稳定性,得到各自前缘构形的边界层失稳位置及最不稳定波的波数和增长率。研究发现,前缘钝化半径R=0.5mm的楔面边界层失稳位置远远大于前缘钝化半径R=0的楔面边界层失稳位置,表明前缘钝化对楔面边界层失稳特性具有显著影响。     

高超声速进气道前缘钝度效应试验研究

基于一种典型高超声速二元进气道,考察前缘钝度效应对进气道边界层转捩的影响,加工了四种半径为R=0.05mm,R=0.1mm ,R=0.2mm,R =0.25mm的前缘,在FD-07风洞中开展了自然转捩及人工转捩的风洞试验。试验中采用压缩拐角压力分布特征及进气道起动相结合的方法来估计边界层转捩位置,得出了进气道压缩面边界层转捩位置随前缘半径变化的规律。试验表明在来流条件下随前缘钝化半径增加,边界层转捩位置明显后移。针对R=0.25mm时进气道不起动的情况,基于 线性稳定性理论(LST)理论设计了人工转捩条带,通过试验成功实现了转捩。      

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

高超声速二维钝楔边界层参数分析

为了指导二元高超声速进气道型面设计,基于两类高超声速二维钝楔外形,采用高精度CFD方法计算了四种典型工况下二维钝楔边界层参数,分析了前缘半径、壁面温度、压力梯度对边界层参数的影响,得出了边界层位移厚度、边界层总压恢复及壁面压力梯度沿流向的变化规律。研究表明,前缘半径及壁面温度对边界层参数影响较大,在两者一定的情况下,逆压梯度使边界层位移厚度增速放缓,顺压梯度会使边界层位移厚度快速增长。     

基于边界层转捩的高超声速进气道特性研究

为了探索边界层非强迫转捩对进气道性能的影响,采用数值计算的方法开展了边界层转捩对轴对称混压式高超声速进气道流场特性的研究。研究表明:随着进气道中心锥锥尖钝化半径增大,边界层转捩先推迟。当锥尖钝度大到一定程度时,边界层转捩位置前移。随着钝化半径进一步增大,边界层转捩再次推迟,转捩位置逐渐后移。来流湍流度越大,边界层越不稳定,边界层转捩越易发生。与湍流边界层相比,考虑边界层转捩时进气道的总压恢复系数及流量系数较高、热载荷及阻力系数较小,Ma=6.5时喉道处总压恢复系数最高上升17.3%,进气道阻力最大下降17.4%。边界层转捩对壁面热流密度分布影响较大,但对壁面压力分布影响较小。钝化影响进气道的自起动性能,随着钝化半径增大,自起动马赫数升高,而边界层转捩对进气道自起动性能影响较小。     

一种用于前缘钝化高超声速进气道设计评估的CFD/特征线组合方法及其应用

为便于前缘钝化高超声速进气道设计与性能分析,将CFD方法与特征线法相结合,提出一种高超声速钝化锥/楔流场的快速精确计算方法(CCM方法)。该方法将CFD方法的精度与特征线方法的效率相结合,可进行前缘钝化高超声速进气道的快速设计与性能分析。利用CCM方法设计了一种前缘钝化两级锥轴对称进气道构型,分析了前缘钝化对进气道前体波系位置的影响,并采用CFD模拟开展了相应的对比考察和性能参数影响研究。结果表明,对于轴对称进气道,当前缘钝化半径较小时,进气道前体波系位置及流动性能基本不变;当钝化半径增至一定的尺度后,前缘激波向外偏移以及进气道性能参数的下降开始显露并渐趋明显。在设计状态点附近,低来流Ma下前缘钝化对轴对称进气道性能影响更为显著。对于该轴对称进气道构型,前缘钝化半径在10%捕获半径内变化时,进气道流量系数、出口截面总压恢复系数等参数变化幅度均在10%以内;进气道自起动Ma数略有下降。      

前缘钝度对马赫数6平面压缩进气道流场的影响分析

高超声速飞行要求前缘钝化,钝化前缘将引起流场变化并影响进气道性能,进气道几何参数需要进行修正设计。为了解钝化前缘影响的程度及条件,为修正设计提供依据,采用S-A模型,研究了马赫数6条件下,固定外罩前缘钝度(Rc=2mm),前体前缘钝化(RN=1~6mm)对一种3+1波系平面压缩进气道流场特征和综合性能的影响。结果表明,前体前缘钝化引起外压缩激波偏离唇口、肩部分离区向上游传播,造成分离激波与其他激波形成复杂的相交结构,进而形成严重畸变的唇口弓形激波,在较大钝度(RN≥3mm)时激波干扰生成的滑移层进入内流道核心区,唇口弓形激波的畸变和大范围的滑移层吞入,是造成总压恢复系数严重下降的主要原因;外压缩激波的外移以及分离激波的介入是造成流量捕获急剧下降的主要原因。由此提示,应当通过合理的钝化设计或流场修正设计,使前体前缘钝化的进气道避免外压缩激波偏离唇口太远,并通过流动控制方法严格控制肩部分离区范围,勿使分离激波与其他激波干扰产生的滑移层进入内流道核心区范围,更要避免分离激波与唇口弓形激波在内流道核心区域相交。     

旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度; 旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。     

吸气式脉冲爆震发动机壁温试验

为了探索各频率下管壁温度随时间的变化趋势及爆震管外壁面的温度分布规律,对爆震室内径68mm,长2 000mm,以汽油为燃料、空气为氧化剂的吸气式脉冲爆震发动机进行试验,用热成像仪对稳定工作在10Hz,20Hz,40Hz下的管壁温度进行了监测。结果表明:同一频率下随时间的增加壁面温度增加速度减小;热平衡时壁面温度随频率的增加而增长,10Hz,20Hz,40Hz热平衡时外壁面最高温度分别在726℃,1011.5℃,1159.5℃以上;热平衡前管壁温度的增长速度随频率的增加而增加,管壁温度的增长速度跟频率约成正比;爆震室上沿着压缩波叠加至形成爆震的方向,温度在外壁面上递增分布,在爆震形成区温度最高,从爆震形成区到发动机出口处,温度在外壁面上逐渐降低;各频率下最高温度区位置基本不变,距点火位置1 350mm左右;同一轴向位置上的外壁面温度随频率的增加而增加,温度的增长幅度随频率的增加而减小。     

脉冲爆震发动机的可爆范围及内流燃气温度与壁温的实验研究

在脉冲爆震发动机原理性试验模型上对脉冲爆震发动机的可爆范围和内流燃气温度、壁温进行实验研究,掌握在脉冲爆震发动机中形成爆震波的条件、机理,以及影响可爆范围和内流燃气温度、壁温的因素及其规律,为脉冲爆震发动机的设计提供技术基础。     

连续旋转爆震波细致结构及自持机理

基于化学非平衡流解耦方法和详细化学反应机理,在0.1mm的网格尺度下对连续旋转爆震波内流场和爆震波平掠惰性气体界面的传播过程进行了数值模拟。详细分析了连续旋转爆震波的空间结构,由于在出口侧无几何约束,受一系列稀疏波的影响,旋转爆震波强度受到不同程度的削弱,形状也发生了相应的变化。爆震波平掠惰性气体界面时的流场分布与连续旋转爆震波结构极为类似,对比研究了波前可燃气体层高度对爆震波结构和传播过程的影响,当爆震波高度较小时,其抵御惰性气体侧稀疏波衰减的能力弱,波阵面严重变形,爆震波解耦。若爆震波要稳定自持传播,其必须要达到一定的临界高度来抵御稀疏波的影响。     

支板布局对三维侧压式进气道特性的影响

对采用前掠、后掠及混合掠支板布局的三维侧压式超燃发动机进气道（工作马赫数4～6）开展了数值计算，详细比较了不同支板布局的流场波系、边界层发展以及总体性能特征，主要结论有：（1）后掠支板进气道的起动马赫数范围较宽，但附加溢流大，需前移唇口保证流量系数，结果上顶板反射激波加强，总压损失和流场畸变较大；（2）前掠支板进气道能保证较高的流量系数及总压恢复系数，但低马赫数起动困难；（3）混掠支板进气道综合了前掠与后掠布局的优点，能够保证较宽马赫数范围内的工作和较优的进气道性能，但需优化。     

无隔道进气道RCS特性实验研究

选定无隔道进气道口面参数,在不同的极化方式下对无隔道进气道及皮托式进气道进行了电磁散射特性实验研究。比较了2种进气道的雷达散射截面(RCS),得到了各个口面参数对无隔道进气道RCS的影响规律。研究结果表明:无隔道进气道是1种低RCS进气道;鼓包相对来流附面层的高度略低于1.2时最好,唇罩锯齿角在120°~135°最佳,唇罩内切角在60°时较好,鼓包相对唇口的位置在0.7~0.8时较好。终端开口与转动风扇的比较表明,无隔道进气道的后向散射主要来源于外罩唇口的电磁波散射。     

Investigation of hot jet on active control of oblique detonation waves

The hot jet injection is utilized to actively control the oblique detonation wave, such as initiating and stabilizing an oblique detonation wave at a desired position that is shorter than the length of induction zone, and adjust the height of the oblique detonation wave at the exit of combustor when the oblique detonation wave engine is working on off-design flight conditions. The fifth order Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) scheme and a two-step reversible reaction mechanism of the stoichiometric H₂/Air are adopted in the simulations. With the help of hot jet injection, the transition from inert oblique shock wave to the oblique detonation wave immediately occurs near the position of hot jet injection, and consequently the length of combustor can be reduced. The angle of oblique detonation wave also decreases as the hot jet injection approaches the nose of wedge. Additionally, the height of the oblique detonation wave at the exit of combustor can be flexibly adjusted, and also depends on the injection position and the strength of the hot jet. If the velocity of the hot jet is too weak to directly trigger the overall oblique detonation wave at the position of injection, increasing the injection pressure will improve the strength of the hot jet and results in a successful transition.