一种高超声速进气道起动/再起动的数值研究

对一种定几何轴对称高超声速进气道的起动过程、来流马赫数引起的不起动和再起动过程的非定常流态进行了数值研究,分析了唇罩侧板后掠对进气道起动/再起动性能的影响.结果表明:唇罩侧板后掠形成了横向溢流,缓解了捕获流量和进气道流通能力之间的矛盾,从而改善了进气道的起动/再起动性能;内收缩段内的激波与边界层的干扰较强,成为进气道起动的瓶颈.      

高超声速进气道再起动特性分析

1引言未来高超声速飞行器飞行必然要经历低马赫数飞行过程,因此高超声速进气道同样要面临低马赫数下的不起动问题,那么进气道一旦进入不起动,如何才能再起动?再起动的特征是怎样的呢?常规内压式进气道再起动过程中存在迟滞回路现象,高超声速进气道的再起动过程是否也有相似的现     

二元高超声速进气道自起动特性试验

为了研究二元高超声速进气道的自起动特性,针对一带前掠侧板的混压式二元进气道,在来流马赫数为4和3.5状态开展了风洞试验,利用反压系统实现了进气道的起动、不起动和自起动过程.分析试验结果可知,进气道在来流马赫数为4和3.5状态均可自起动,但在来流马赫数为3.5,2°攻角状态不能自起动.当反压过大引起进气道不起动时,侧板根部均存在分离包、分离激波并引起溢流.从不起动状态进气道的流场结构看,该二元进气道的不起动属于软不起动,其机理不同于经典的自起动理论.但是试验结果表明,进气道的自起动马赫数仅略低于自起动理论值.当内压段入口马赫数低于2.5时,采用经典自起动理论估算自起动性能仍具有较高的精度.      

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。     

弯曲激波压缩曲面的二元高超声速进气道研究

以弯曲激波压缩面设计的二元进气道具有较短的长度和较高的性能,研究了以等压力梯度弯曲激波压缩曲面设计的二元进气道一般性能,并以部分等熵压缩前楔板设计的二元进气道的一般性能与之作对比,以探讨前者在Ma 4～7高超声速范围进气道的外压缩面设计上的应用。对以等压力梯度设计的型面开展分析,进行了2D粘性计算并获得了稳定流场,显示进气道有较高的压缩效率。在相同总折转角条件下,通过对比不同起始角方案的进气道总压恢复和长度比,前楔板起始角不宜超过7°,进气道长度比可缩短约10%。在对比计算等压力梯度设计的进气道与部分等熵压缩进气道后,认为前者总压恢复性能要下降3%～5%,但激波封口设计点可以适当提前。最后尝试以流线追踪法扩展到三维乘波前体,在设计点附近获得平直的激波面,显示具较好的乘波特性和二元流动特征。      

二元高超声速进气道激波振荡特性实验

通过在进气道/隔离段模型出口附近设置固定的堵塞楔块提高反压,并采用高速纹影拍摄同步壁面压强测量的手段,在马赫数5.9的激波风洞中研究了二元高超声速进气道在不同堵塞度下的流动特征。研究结果表明,在较低的堵塞度下,进气道仍然能够保持起动状态,而在较高的堵塞度下,进气道出现激波振荡。上游产生的压缩波/激波在节流段的反射是出现激波振荡的重要原因之一。随着堵塞度的增加,激波振荡的频率有所升高。     

一种二元进气道起动特性的数值与实验考察

采用Spalart-Allmaras湍流模型对来流马赫数变化引起的二元高超声速进气道模型的起动特性进行了三维数值模拟,并在来流马赫数5.5和5.9两种工况进行了激波风洞实验验证。结果表明,进气道不起动时,模型侧板上的流动分离与外压缩面上的流动分离相融合,堵塞了进气道入口,三维流动特征显著。在预报进气道自起动和不起动时,应当考虑三维流动效应。逐步增大来流马赫数和逐步减小来流马赫数两种路径下,进气道存在起动迟滞现象。对于本文的进气道模型,当内收缩比增大0.2时,自起动马赫数约升高1,不起动马赫数约升高0.5,进气道的起动迟滞环变大,起动性能下降。在激波风洞中获得的进气道自起动以及起动/不起动双解区的实验结果与数值模拟相符合。     

侧板构型对高超侧压进气道起动性能的影响

为了考察侧板构型对高超侧压进气道起动性能的影响,对相同收缩比下侧板分别为前掠和后掠构型的进气道开展了Ma=4来流下的风洞实验及相应的数值模拟研究。实验结果表明,侧板后掠进气道的起动性能优于侧板前掠构型,实验中侧板后掠进气道能够在+2°攻角时实现起动,而侧板前掠进气道仅能在-2°攻角时起动。对流场进行的数值模拟结果表明,侧板后掠进气道不但比侧板前掠进气道具有更高的内收缩段入口马赫数,而且交汇后的侧板激波与底板边界层干扰的强度较弱,使得边界层不易分离,两方面因素共同作用使得侧板后掠进气道的起动性能显著优于侧板前掠构型。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。     

抽吸对高超声速进气道起动能力的影响

对在不同抽吸开孔率下，某典型高超声速二元进气道二维流场进行了数值模拟，给出了高超声速进气道性能参数随抽吸开孔率的变化规律，研究了抽吸对高超声速进气道起动和再起动能力的影响，发现抽吸可以有效地降低进气道的起动马赫数，改善进气道的流动性能，提高进气道的总压恢复系数，但降低了压比，且开孔率越大，上述变化越明显；同时还发现抽吸能够减小高超声速进气道的迟滞回路曲线，大大降低进气道再起动马赫数，改善进气道再起动过程中的超压、超温问题。     

基于壁面压力分布的二元高超声速弯曲激波压缩进气道反设计与优化方法

为进一步提高高超声速进气道的性能,发展了通过指定压力分布规律来反设计整个二元进气道的方法,实现了气动参数可控的进气道内外压缩一体化设计,建立了基于Isight软件的进气道自动化设计分析和优化平台。初步的研究表明,使用此设计方法,能够得到综合性能优秀的进气道设计方案,该方案在来流马赫数6下喉道总压恢复系数为0.68,在来流马赫数4时流量系数达0.77。      

二元高超声速进气道动态攻角特性风洞实验

为了研究攻角导致的来流定常/非定常变化对二元高超声速进气道性能的影响,在马赫3.85条件下,对一个设计马赫数为6.0的二元高超声速进气道进行了动态攻角变化的风洞实验。实验中,攻角在0°～8.2°连续变化,动态频率最大达到9.3Hz。实验研究表明:攻角在0°～8.2°连续变化过程中,进气道始终保持着起动状态;攻角增加使进气道出口增压比逐渐上升,流量系数、出口总压恢复系数和出口马赫数逐渐降低;在保持起动状态的攻角连续变化过程中,振荡的二元高超声速进气道其性能变化趋势与准稳态时相似,攻角的动态变化未对进气道性能产生显著影响。     

非均匀来流对新型高超弯曲激波二维进气道的影响

针对一种采用新型压升规律的曲面压缩面所设计的高超弯曲激波二维进气道,利用数值模拟方法研究了6种不同长度平板发展而来的非均匀流对其性能参数的影响,并和两种常规二维进气道吞非均匀来流的能力进行了比较,着重对比了设计Ma数下三种不同压缩形式进气道喉道截面的流场畸变程度。数值模拟结果表明,采用新型压升规律的高超弯曲激波二维进气道性能受来流气流不均匀性的影响较小,且喉道截面的流场畸变指数小,对非均匀来流具有一定的校正作用。     

二元高马赫数进气道的起动特性数值研究

采用数值模拟方法,研究了不同内收缩比二元高马赫数进气道的起动特性。研究发现:内收缩比影响进气道的加速起动特性,内收缩比越大,加速自起动马赫数越大,加速过程中,大内收缩比性能参数只有1次阶跃,而小内收缩比构型性能参数存在2次阶跃;相同来流条件下,隔离段出口反压对具有不同加速自起动能力的进气道影响不同,来流马赫数高于加速自起动马赫数的进气道,反压引起进气道不起动后可以再起动,来流马赫数低于加速自起动马赫数的进气道,反压引起进气道不起动后无法再起动,且抗反压能力严重下降。不起动状态下的进气道对出口反压十分敏感,给定出口反压边界条件的模拟方法很难获得稳定的不起动流场。     

高超声速风洞进气道流量系数测量精度影响因素研究

进气道是飞行器动力装置的重要组成部分,准确测量进气道流量系数是进气道风洞试验的重要内容.对来流马赫数Ma =4.5,5.0和6.0状态下皮托管进气道开展流量系数测量研究,通过对比理论值和实测值,获取各状态流量系数修正系数.试验结果表明,随着来流马赫数增加,进气道流量系数与理论值偏差较明显,并逐渐增大.超声速风洞试验通常认为测量截面总温与来流总温相等,通过对测量截面总温与来流总温偏差以及测量截面流场畸变情况的分析,判断测量偏差主要是由测量截面总温等于来流总温的假设导致的.在高超声速风洞试验中,由于模型壁面热交换的存在,测量截面总温低于来流总温,进气道流量系数测量时需要进行总温修正,以提高流量测量精度.     

二维超／高超声速进气道流场数值模拟

对超／高超声速三级压缩进气道流场进行了数值模拟,来流马赫数为4、6,进气道内流动为层流状态,根据二维Navier-Stokes方程,采用二阶精度Roe格式进行离散。按照流场特点,合理地设计网格分布及调整不同黏性范围的熵修正,防止了壁面附近过大的数值耗散,使计算结果更加合理。在进气道模型的各级压缩折转角处,获得了清晰的激波结构,在进气道内部的各种波系的相交、反射和激波诱导的边界层分离等现象都得到合理的描述。计算得到的压力分布,在各级压缩斜板上同简单波理论结果十分接近。用本文方法计算了另一个二级压缩进气道,沿上、下壁面的压力分布与试验比较符合得较好。     

高超声速二元进气道顶板移动变几何方案数值模拟

针对一种工作于马赫数Ma=4~6范围内的高超声速二元进气道,探索了一种进气道部分压缩顶板可移动的简单变几何方案,利用数值模拟研究了接力点变几何进气道的自起动性能和Ma=4~6的调节方法。结果表明:部分压缩顶板可移动简单变几何进气道方案在Ma=3.7能够实现自起动;变几何所形成的自适应放气槽放气量很小,最大放气量在2%以内,关闭自适应放气槽接力点Ma=4流量系数达到0.77;在整个工作范围内流量系数较高、总体性能较优,该变几何方案的调节方法是切实可用的。     

高超侧压进气道溢流方案的改进与分析

为了提高高超侧压进气道的性能,通过在其侧板上方添加盖板与在底板开槽的方式对其溢流方案进行了改进.对原型与改型进气道进行了来流Ma =4 ～7流场的数值模拟,并对两进气道进行了Ma =4时不同攻角下的起动性能试验.结果表明,低马赫数时(Ma =4,5),在总压恢复系数基本保持不变的前提下,改型进气道的流量系数较原型进气道获得大幅提升,Ma =4时,提高20.6％,Ma =5时,提高11.5％.在流量系数增加的同时,起动性能也获得大幅提升,来流为Ma =4时,由-2°攻角下起动提升为+4°攻角下依然可以实现起动.由于溢流方案的改进针对低马赫数时的进气道流场,在高马赫数时(Ma =6,7),进气道的性能基本不变.研究表明,抑制侧板间溢流的同时引入底板溢流的方式是提高高超侧压进气道综合性能的有效途径.     

变比热激波关系式及其在高超声速进气道计算中的应用

本文根据空气热力性质表建立了空气热力性质的解析表达式,从气动热力学基本方程和激波前后比热比不同出发建立并推导出完全变比热激波方程组及其解法。对分别使用变比热激波关系式与定比热激波和等熵流关系式计算结果进行的比较表明,使用变比热激波关系式进行高超声速进气道气动热力学分析计算,能够减少定比热假定产生的偏差,提高计算准确性。