两级超声速引射器流动机理研究

超声速引射器在航天发动机、化学激光器等的地面试验所需压力恢复系统中有着重要的应用,采用超-超引射方式是优化压力恢复系统的性能和实现设备小型化的途径之一。为探索适用于超-超引射器的设计准则,对一种两级超声速引射器的超-超引射流动现象开展了研究,试验发现该构型引射器在特定压力匹配范围内即可实现一、二级主流间的超-超引射又可以实现主流对二次流的超-超引射,结合数值仿真对流场结构和参数的分析表明超-超引射的形成机制可归结为压力匹配问题,通过提高来流总压与混合室匹配静压的压比可建立超-超引射;混合室匹配静压由引射气流主导;提高二次流总压或降低主流压力均可提高二次流马赫数,该规律对建立超-超引射、提高引射效率有指导意义。      

1种节能环保带喷射泵的排气引射器设计方案

提出了1种新式带喷射泵的排气引射器设计方案。通过计算表明，在高空模拟试验台中应用带有喷射泵的引射器，可以将湿燃气中的水蒸气冷凝分离出来，减少次流流量，降低排气温度，大幅度提高燃气总压，从而提高引射系数，并可实现无污染排放。     

波瓣喷管引射-混合器的数值研究与验证

对基于CFD数值预测波瓣喷管引射 混合器引射流量比的计算方法进行了探讨,在计算过程中,主流进口采用速度边界条件,二次流进口采用总压压力边界条件,混合流出口采用静压压力边界条件,两者均设置为环境大气压力,与相关实验数据的对比验证表明计算结果与实验结果仅相差10%左右;同时通过改变混合管结构参数,得到了混合管结构参数对引射 混合特性的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射 混合的内在机理。在波瓣喷管出口对应于波谷区域存在一个相对低的静压区,对于引射 混合器系统存在一个最优的性能设计点,计算结果符合物理过程本质。     

基于混合维度仿真的自适应循环发动机引射喷管安装性能研究

自适应循环发动机（Adaptive Cycle Engine,简称ACE）独特的三外涵道结构使引射喷管成为一种可行的排气系统方案。为准确评估各种工况下引射喷管与ACE匹配工作下的安装性能,提出了一种基于变可信度代理模型的ACE-引射喷管混合维度仿真方法。该方法搭配引射喷管高、低两种可信度的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,简称CFD）仿真模型,建立了引射喷管变可信度代理模型。通过动态更新该代理模型,在引射喷管性能空间的匹配工作区域集中进行高可信度CFD仿真,高效准确地实现了引射喷管匹配状态下的安装性能评估。仿真结果发现,ACE引射喷管在亚声速巡航和超声速巡航状态下的安装推力系数分别为0.979和0.961,在跨声速区段采用中间状态加速时后体阻力系数达到最大,为0.25。亚声速巡航状态下主喷管流量系数最低,为0.896。应用本方法仅需180次低可信度CFD仿真以及173次高可信度CFD仿真即可完成共计33个ACE工作点的引射喷管安装性能计算。     

非轴对称前涵道引射器性能的数值研究

以轴对称前涵道引射器为基础,提出了一种非轴对称前涵道引射器方案。为了比较非轴对称和轴对称前涵道引射器在热混合效率,引射系数和总压恢复方面的不同,采用数值模拟的方法对不同掺混角度和进出口压比的模型进行了计算,并得到引射器的性能参数变化规律。结果表明,在开口面积不变的情况下,增大气流的掺混角度会使前涵道引射器的热混合效率降低,总压恢复系数减小,引射系数也有较大的减小;在亚临界时,随着进出口压比的增大,引射器的热混合效率和总压恢复系数逐渐变大,引射系数则会减小,并且相同条件下,非轴对称前涵道引射器与轴对称前涵道引射器相比,热混合效率提高,总压恢复系数和引射系数分别会减小大约2%和20%。     

环型超声速空气引射器零二次流流场数值研究

采用二维轴对称雷诺平均方程和标准κ-ε双方程湍流模型，数值研究了环型超声速引散器零二次流的流场结构及盲腔压强的变化，空间上采用二阶迎风格式进行耦合求解，时间上采用显示的Runge-Kutta方法进行迭代推进。结果表明，引射器几何参数不变的情况下，启动后的盲腔压强与引射气流总压之比为一常数；喷管马赫数不变情况下，喷管出口面积与混合室入口面积比越小，盲腔压强越低，扩压器性能越好，启动要求的总压越低，对超声速空气引射器的设计具有指导意义。     

多喷嘴超声速引射器启动性能试验

建立了多喷嘴超声速引射器试车台,采用燃气作为一次流驱动工质对多种多喷嘴构型引射器的启动性能进行了试验研究。试验结果表明:相对于环型引射和中心引射,具有较高一次流马赫数的多喷嘴引射在增强混合的同时引入了额外的压力损失,其启动所需要的第二喉道面积更大、最小启动压力更高;引射喷嘴个数越多、管道马赫数越高、引射喷嘴出口马赫数越高,则所需启动压力越高;引射喷嘴出口马赫数越高,所获得的盲腔压力越低;二次流的"助推"作用可以在一定程度上改善引射器的启动性能。     

波瓣喷管引射-混合器的数值研究与验证

对基于Navier-Stokes方程理论预测波瓣喷管引射一混合器引射流量比的计算方法进行了探讨，在计算过程中．主流进口采用速度边界条件，二次流进口采用总压压力边界条件，混合流出口采用静压压力边界条件，两者均设置为环境大气压力，与相关实验数据的对比验证表明计算结果与实验结果仅相差10％左右；同时通过改变混合管结构参数．得到了该参数对引射一混合特性的影响规律，进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射一混合的内在机理，计算结果符合物理过程本质。研究表明，本文的计算方法可以有效地预测引射流量比和揭示混合流场特性。     

前可变面积涵道引射器特性的试验与数值模拟

为了研究主、次流的进口总压比及出口背压对前可变面积涵道引射器(FVABI)工作特性的影响与流动掺混机理,采用试验与三维数值模拟方法对不同进口总压比下引射器工作性能及掺混流场随背压变化规律进行了分析。结果表明:标准k -ε模型用于引射器掺混流场的模拟具有较好的准确性;进口总压比越大,引射器总压损失越大;进口总压比不变,随背压增加,引射器总压损失先减小后增加;进口总压比不变,引射器在背压变化过程中存在总压损失最小点;背压减小时,引射器存在临界工况点,且进口总压比越大达到临界工况点的背压越大,可变涵道比的范围变窄;主、次流掺混过程主要集中在沿气流方向上x/l=03~06位置之间,在黏性力作用下动量、质量充分交换,沿流向截面速度径向分布趋于均匀。     

基于引射器函数法的程序优化设计及验证

针对考虑多因素综合影响的引射器优化问题,基于引射器函数法,深入研究了静压协调函数的数学特性并分析了其数学曲线上的奇异点。在此基础上,通过程序设计和基准推进归纳法得到了多分支工作特性曲线,分析了不同分支下解的特性。另外结合工作特性曲线重点研究了混合室背压、主次流总压比和混合不均匀度对引射性能的影响,提出了静压特性曲面、临界曲线的设计概念。通过试验数据对比分析验证了引射器函数法的可靠性。结论表明:靠近临界曲线工况时引射器设计性能较好;混合不均匀度对引射性能影响重大,不均匀度为1.5时对比理想状态,引射系数最大误差达到32.73％;考虑壁面摩擦设计时需对摩擦因数公式模型进行修正。研究结果为引射器优化设计提供了重要指导。      

涡轮冲压组合循环发动机引射过程数值模拟

为了研究气流参数和几何参数对TBCC发动机引射工作过程的影响，基于CFD技术，采用数值求解N-S方程的方法，开展了对TBCC发动机引射工作过程的数值模拟研究。基于TBCC发动机引射过程数值模拟结果的分析，可以发现：随着引射段主流（涡轮发动机排出气流）的进口气流角度增加，总压和马赫数的分布趋于均匀，但是总压损失逐渐增大，因此在TBCC发动机引射段结构设计时，不应使涡轮发动机的排气角度过大。存在一个最小的引射段长度Lmin，当引射段长度小于Lmin。时，随着引射段长度的增加，总压损失显著增大；当引射段长度大于Lmin时，随着引射段长度的增加，总压损失基本不发生变化。     

基于多级等压混合的引射器参数匹配与优化

匹配和优化多级等压混合引射器的各项参数,得到理想的引射器增压比和引射效率,目的是提高多级等压混合引射器性能。通过数学分析和实验,研究了单级引射器参数变化对性能的影响,明确了多级等压混合引射器级数的确定原则,对影响单级引射器性能的参数在多级中进行了匹配和优化,表明引射马赫数、被引射气体温度、单级引射器引射系数和增压比匹配与优化后,能显著提升多级等压混合引射器性能。     

快速引射充气系统引射器性能研究

为民用飞机应急滑梯充气系统中高压引射器设计提供依据,应用Ansys Workbench软件、计算流体力学(CFD)对一种径向吸气的多喷嘴引射器进行建模与流体仿真计算。研究了喷嘴数、混合室长径比、混合室与喷嘴流通面积之比对该引射器引射性能的影响。仿真结果表明,适当提高喷嘴数,提高长径比和在低背压时提高面积比都能有效提高引射器引射比,其中面积比的影响最为显著:在300倍面积比、8.6k Pa背压时,引射比可达2.49。但在高背压下,过大的面积比将使引射器性能变差。此外,通过对仿真结果的云图分析,发现径向吸气引射器混合流量中心区域流速过高的缺陷,需要改善。     

动力舱冷却用排气引射混合管改进设计方法

对直升机动力舱冷却用的排气引射混合管的设计方法进行了研究,基于引射器特性方程和对引射特性影响因素的分析,参考某型直升机发动机排气系统,提出了针对直升机动力舱冷却用的排气引射混合管设计的改进方法——修正系数法.应用该方法,针对某型发动机动力舱冷却用排气引射混合管进行了设计,并与实验结果进行了对比,结果表明,该方法可以使设计效率提高30%,设计精度保持在5%以内,满足工程设计要求,具有工程应用价值.      

超声速自引射装置的工作过程研究

应用湍流κ-ε双方程模型,分析了液体火箭发动机自引射工作过程所用的超声速自引射装置(简称引射器,包括圆柱型和二次喉道型引射器)在相同二次流入口面积时的流场分布,依据流场分析值确定了激波在引射器内的位置,结果表明喷管内的气流达到满流状态,并根据有关参数计算了引射系数.对比引射器真空舱内压力仿真值和试车测量值,两者基本一致.      

具有舱门补型结构的高空舱排气流场特性数值研究

为了研究具有舱门补型结构的大涵道比发动机高空舱的排气流场特性,对其开展了精细化几何建模及数值模拟研究。首先,建立了带舱门补型结构的高空舱、发动机与排气扩压器联合的仿真物理模型;随后,针对不同的舱门结构形式、发动机工况以及次流流量,通过数值模拟方法进行对比验证;最后,分析舱门补型结构对高空舱排气流场影响机理,给出舱门补型结构对排气流场特性的影响规律。结果表明：舱门补型结构对发动机推力计算结果无明显影响,推力主要受发动机参数和环境压力的影响,但有舱门补型时高空舱内回流区明显减小,有利于高空舱内气体的排出;次流不仅降低了高空舱内气体的回流,还使得舱温降低,在高空舱内起到了整流和降温的作用;引射距离会影响排气扩压器的气体排出效率,且随着引射距离的减小,高空舱内回流区明显减小,提升了排气扩压器效率。     

直升机多路分流排气引射红外抑制系统气动特性计算

针对直升机用单级引射、三路分流排气红外抑制系统进行了内部流场的三维数值模拟,在给定的模拟条件下,得到如下结论:①该红外抑制系统引射能力较强,三个支路引射混合管的引射流量比存在较大差异,总压恢复系数相差甚微;②分流喷管各支路通道喷口主流出口速度和压力基本一致,对各支路引射混合管引射能力影响最大的因素是次流流道的通畅程度;③三个支路引射混合管内主流核心速度和混合管出口温度衰减程度与其引射次流流量大小相关.      

引射式火箭冲压组合推进系统的数值仿真

为了研究利用火箭作为引射器的引射式火箭冲压发动机的性能及内部流动机理,建立了一维总体性能计算模型,对火箭冲压组合发动机的性能参数进行了数值计算;此外,又基于CFD技术,对火箭冲压组合发动机的内部流场进行了数值仿真。总体性能计算结果表明,引射式火箭冲压发动机可以产生推力增益和提高比冲;流场计算结果表明,火箭主流与二次空气流在引射掺混过程中参数匹配是合理的。由此可见,所建立的计算模型是正确合理的,采用火箭发动机和亚燃冲压发动机的组合方式是可行的。     

六喷管超音速引射器性能的理论分析和实验研究

对某一定尺寸的六喷管超音速引射器进行气动性能的实验研究。结果表明：随着主次流压比Ｐ＊ｐ／Ｐ＊ｓ增加，引射系数及修正引射系数下降；当引射系数增加时，混合管动量修正系数Ｋｍ下降，但主喷管流量系数μ变化不大。对上述工况进行理论计算的结果与实验数据符合良好。     

爆震发动机扩张型引射喷管的非定常流动过程研究

为揭示PDE引射喷管的瞬态流动机理,采用带化学反应的非定常仿真方法,对使用二维扩张型引射器PDE的非定常排气过程进行分析,获得了流场结构的瞬态演化过程,并将其单循环的积分冲量与无引射喷管状态进行了对比。结果表明,仿真中形成了稳定的爆震波,其主要特性参数与理论值相差较小,并且仿真获得爆震排气过程的流动结构与试验结果吻合良好。带引射器PDE的单循环主要流动过程可以分为:爆震波产生和排出阶段、引射器主动进气阶段、爆震管第一次倒流阶段、爆震管主动排气阶段、爆震管第二次倒流阶段。相比无引射器状态,使用扩张型引射器可以使PDE单循环积分冲量增加21.76%,并且其对爆震管头壁压强、单次循环周期无明显影响。