内流涡控技术--反进气道旋流措施的预研

进气道旋流是进气道与发动机相容性的一个重要扰动参数。在发动机稳定性和性能方面，进气道旋流的效应不可忽视。从飞机总体布局、发动机设计和进气道设计入手，研究了现存战斗机对旋流的防止和反抗措施。     

基于五孔探针的大S弯进气道旋流畸变评估

背负式S弯进气道拥有较好的前向雷达隐身性能,同时有利于起落架布置、武器内埋,但其出口流场的非均匀性会严重影响发动机的稳定性。除了总压畸变、总温畸变的影响之外,旋流畸变也是流场非均匀性的一种重要体现。为研究背负式大S弯进气道的旋流畸变特性,采用美国汽车工程师协会(SAE)的旋流评估方法,利用基于五孔探针的旋转式测量段对进气道出口的强旋流场进行测量分析,入口马赫数的范围为0.2~0.6。所有马赫数下旋流方向(Swirl Directivity,SD)和旋流对数(Swirl Pairs,SP)变化不大,均显示出口旋流为对旋模式,与理论分析和数值计算结果吻合。同时,测量的对旋涡呈现出弱非对称性,最大旋流角超过40°,旋流强度(Swirl Intensity,SI)从内环的6°增加到外环的13°左右,且在马赫数小于0.5的范围内没有明显变化。本文研究表明,虽然SAE的旋流畸变计算方法中部分指标可以有效识别出大S弯进气道的旋流模式,但是旋流强度指标却明显不能表现出对旋涡的强旋状态,制约了其在该类进气道/发动机相容性评估中的应用。     

S弯进气道旋流研究

根据理论分析,更主要的是根据实验结果,证明了某S弯常规超音速腹部进气道对侧滑敏感,并产生整涡旋流,它取决于进口没有导向叶片发动机对旋流扰动的敏感程度。发动机,性能下降,发动机喘振和强迫叶片振动之类严重的进气道与发动机匹配问题可能出现。 对用动态总压畸变作为主要相容性参数提出了疑问,认为旋流是进气道与失速裕度较大发动机匹配的决定性的相容性参数。 新发现一种不测量旋流也可以快速地判断进气道出口是否存在有整涡旋流的方法。     

S形进气道流动控制数值模拟研究

现代高性能作战飞机大多采用S形进气道,由于S形进气道内部曲率较大,边界层容易分离,因而降低了发动机的性能,尤其是其出口处的旋流畸变较大,导致发动机更容易发生喘振。针对某S形进气道中流动分离较大的问题,采用给其内表面加装涡流发生器的方法,以减小进气道出口旋流畸变。通过数值模拟和性能计算可以发现,加装涡流发生器后进气道流动分离和旋流畸变大幅度减弱。     

S弯进气道旋流畸变数值模拟及特性分析

利用FLUENT软件对S弯进气道旋流畸变进行数值模拟,通过分别对不同攻角、侧滑角飞行状态下的进气道沿程及出口流场进行分析,展现了旋流畸变的产生机理和发展过程。引入旋流评价指标,对旋流畸变进行评定,并与总压畸变评价体系进行对比和分析。研究表明:该S弯进气道出口固有的对涡旋流结构不随攻角变化,但旋流强度随攻角的增大略有减弱;在侧滑状态下,该S弯进气道出口对涡旋流消失,旋流以整体涡出现且强度较大;传统的总压畸变指数无法描述旋流,引入的旋流评价指标能较为准确、直观地评定旋流畸变强度和流场结构。     

在进气道与发动机相容性方面反旋流措施的工程应用研究

进气道旋流是进气道与发动机相容性的一个重大扰动参数，从飞机总体布局，发动机设计方面入手，研究了现存飞机对旋涡的防止和反抗措施，新发现：低压压气机前面级静子叶片采取“端弯”技术措施，对提高发动机抗旋流扰动能力，降低对旋流扰动的敏感度十分有利，看好其工程应有前景。     

S弯进气道中流场畸变的监测研究

本文研究了 S弯进气道在大攻角条件下的畸变流场特性。结果表明 ,S弯进气道出口的总压低能量区位置和攻角之间存在极为密切的对应关系。本文提出可以用管道出口的低能量气流位置角度作为 S弯进气道旋流的一个监测参数     

利用涡流发生器抑制S弯进气道旋流畸变的数值模拟研究

S弯进气道由于其良好的隐身性能为现代作战飞机所青睐,但是由于进气道是弯曲的,较大的表面曲率容易导致边界层分离,降低了进气道的总压恢复,增加了气流的湍流脉动,导致旋流畸变的发生。对边界层流动实施控制可以推迟、扼制流动分离,改变进气道的气动性能。本研究在某机型进气道的CAD模型的基础上,利用FLUENT软件对采用不同类型的边界层扰流片(涡流发生器)进行数值模拟,控制边界层分离,使大S弯进气道出口的总压恢复和旋流畸变指标得以改善。     

S弯进气道旋流的转动叶片模拟技术

提出了Ｓ弯进气道中旋流模拟的一个新方法，即叶片模拟技术。通过调节进气道进口附近的可转动叶片，可使管道出口截面上旋流流动大小和方向发生变化，甚至出现反向旋转的固体涡。实验研究表明：利用可调叶片的旋流模拟技术可以较好地模拟发动机进口的有旋流动，为进气道／发动机的性能匹配研究提供一些技术基础。     

腹下无隔道大偏距S弯进气道流场特性

 针对一种腹下无隔道大偏距S弯进气道,在利用实验结果验证了数值方法的可靠性之后,通过数值模拟分析了该进气道在跨声速段的口面流动特征和内通道二次流特征,解释了声速时性能较高的原因。结果表明：进气道口面设计能够将绝大部分前体边界层低能流扫离进气口;高亚声速和声速时鼓包的静压分布比较相似,而低超声速时则相差较大,这主要由于其形成机理不同;进气道出口截面下方的对涡仍然是由S弯扩压段第2弯的旋流发展而来的。     

S弯进气道吞水过程仿真分析

针对配装S弯进气道的发动机在开展台架吞水试验方案设计中缺少输入条件的问题，模拟重建了F-35飞机的S弯进气 道模型，采用数值仿真手段获取了S弯进气道吞水后进气道出口水滴分布图谱。根据工作包线相近的某全尺寸进气道/发动机地 面联合试验结果对所采用的仿真方法进行了可靠性验证，仿真与试验获得的进气道总压恢复系数具有较好的一致性，证明仿真方 法可靠。开展了吞入喷射装置产生的液态水、吞入雨天空气中的液态水2种条件下的进气道吞水仿真，结果表明：S弯进气道吞水 后，在进气道出口形成的水滴分布不同于之前开展的发动机台架吞水试验中所采用的喷水方案，水滴粒子在进气道出口左上角区 域较为集中而不是正下方，在进气道入口前喷水产生的水滴分布图谱比真实雨天工作条件更为恶劣。建议在开展发动机台架吞 水试验前，通过数值仿真或试验测量获取配装进气道后发动机进口的真实水滴分布，以此为输入条件开展喷水方案设计，以便更 好地考核发动机吞水能力。     

格栅对进气道的气动性能和电磁散射特性的影响

给出了在进气道内加装格栅对进气道的气动性能和电磁散射特性的影响。结果表明,格栅明显地降低了S弯进气道出口二次旋流,且使原始单涡旋流消失,出口流场畸变度减小,进气道的雷达散射截面值显著降低,但同时也降低了进气道出口截面上的平均总压恢复系数。还给出了格栅几何尺寸的影响,及设计中如何选择格栅尺寸。     

S弯进气道中静压场研究

本文给出了 S弯进气道出口截面上的静压场测量结果。研究表明 ,在不同的进气攻角下 ,S弯进气道出口截面上的静压是不均匀的。攻角愈大 ,静压场畸变愈严重。在进行旋流场研究中 ,如果攻角较大 ,需认真考虑以往壁面 4点线性加权平均压力场处理所带来的误差影响     

测耙数量对进气道稳态畸变特性测量的影响

在现代战斗机进气道相关试验中,受低速辅助进气门打开和隐身大S弯管道、大迎角侧滑角飞行姿态等复杂因素影响,进气道流场畸变较大,不同测耙数量的测试结果相差较大。国内外对进气道出口流场稳态畸变的测量及计算有较多研究,但鲜有测耙数量对进气道稳态畸变测量影响的全面对比研究。本文采用测耙测量进气道大压力梯度区和低压区并计算其稳态畸变,针对进气道风洞试验、全尺寸进发联合台架试验和进发匹配试飞,对常用的6支耙和8支耙形式测量结果进行对比研究。结果表明,对于形状复杂的战斗机进气道而言,进气道出口流场的测试需要尽可能采用8支测耙的测量方式,才能取得满意的结果。特别是舰载战斗机在舰面环境下,受舰首来流及偏流板反射等因素影响,进气道流场更加复杂,且发动机工作在特殊加力状态,对进发匹配稳定性要求也更加苛刻,更有必要采用8支测耙的测量方式。     

特定涡旋流畸变对跨声速压气机性能的影响

为研究S弯进气道出口和翼身融合体(HWB)飞机发动机进口两种特定涡旋流对压气机气动性能和稳定性的影响,将设计的新型叶片式旋流畸变发生器与跨声速压气机Stage 67进行联合数值仿真,获得进口旋流条件下的压气机特性线和流场分布,并与转子进口为均匀来流时进行对比分析。结果表明:在100%换算转速,S弯进气道产生的旋流使得压气机压比和效率在近峰值效率点分别下降0.06%、0.85%,稳定工作流量范围减小5.97%,压气机稳定裕度降低1.13%,压比和效率特性线均向左下方移动。HWB飞机产生的旋流使得压气机在近峰值效率点的压比增大6.61%,效率下降6.25%,稳定工作流量范围减小26.88%,压气机稳定裕度降低2.84%,压比特性线向右上方移动,效率特性线向右下方移动。     

S形进气道和发动机相容性

进气道旋流是进／发相容性的一重大扰动参数。在发动机稳定和性能方面进气道旋流的效应也是不可忽视的。讨论了Ｓ形进气道／发动机相容性的评定方法，并且建议了有效评定准则。Ｓ形进气道／发动机相容性评定必须由两部分组成，一部与压力畸变有关，而另一部分与流动弯曲度有关。     

S弯进气道内旋流的有源涡控研究

 本文给出了来流攻角为30°和40°、进口带分离区的方转圆截面S弯扩压管道内进行抽气形式的有源涡控的气流特性。研究表明,随涡控抽气量增加,旋流明显减小,当抽气量足够大时,整体涡基本被消除;出口平均总压损失下降;总压畸变减小;管道出口流量增大。因此,抽气形式的有源涡控是抑制旋流、减少出口总压平均损失、改善S弯进气道出口流场的有效措施。     

在流场匹配方面进气道反旋流措施的工程应用研究

根据进气道旋流产生的机理，从进气道设计方面，较为全面地研究了现存飞机进气道旋流的一些防止和抑制措施，将有益于解决工程上由于旋流而造成的进气道与发动机的流场匹配方面的问题。     

亚声速无人机背部S 弯进气道设计与试验

为了优化亚声速无人机进气道的性能,完成了1种背部S弯进气道设计。通过合理控制中心线形状和截面积变化率完成了内型面设计,利用内、外流场耦合仿真得到了该进气道的最佳工作点和速度、迎角、侧滑角特性。数值仿真结果表明:总压恢复系数达到0.97以上。利用试制的玻璃纤维进气道与发动机进行了地面静止吸气状态下的匹配试验,试验结果表明:在地面静止吸气状态下发动机稳定工作裕度和熄火特性均满足设计要求,推力损失小于0.032。     

进气道旋流模拟及测量的实验研究

进气道出口旋流是影响进气道/发动机相容性中的一个重要因素。为在地面试验中评价进气道旋流对发动机稳定性的影响,设计了叶片式旋流发生器,并在风洞中进行了整体涡旋流、对涡旋流两种基本旋流流场的模拟,实验中利用在固定马赫数下校准的五孔探针测量了所模拟的旋流场。风洞实验结果表明,按照不同布局方式来安装叶片,可以得到不同形式的旋流场;旋流发生器叶片攻角对旋流强弱的影响较为明显;旋流的诱导速度对旋流中心位置有很大的影响。