碳氢燃料超燃冲压发动机进气道与燃烧室匹配性能试验研究

在模拟飞行马赫数Ma=6,高度25km条件的液体碳氢燃料超燃冲压发动机自由射流试验中,对比研究了4种不同进气道,不同燃烧室入口条件下模型发动机的点火与燃烧性能。试验结果表明几何内收缩比3的侧压式进气道的出口压强低而无法实现模型发动机的点火;进气道增加部分前体压缩,模型发动机则能够维持稳定燃烧,得到正推力;采用较高收缩比5.35的三维进气道的出口流场畸变程度较高,降低了隔离段抗反压的能力,会对燃烧性能产生很大影响,燃烧效率、发动机推力显著下降,甚至可能导致发动机熄火。不同长度的隔离段对比研究表明隔离段加长能够提高抗反压能力,有助于实现煤油分级燃烧,提高燃烧效率。     

超燃冲压发动机进气道不起动仿真研究

对超燃冲压发动机进气道-隔离段进行了二维稳态流场数值模拟,给出了超燃冲压发动机进气道起动到不起动整个过程的数值模拟结果。得到了不同压比下、不同攻角下进气道-隔离段内部流场等压线图,分析了进气道-隔离段壁面静压分布特性,初步给出了进气道不起动状态的判断准则。      

一种两侧布局的亚声速无人机进气道流场特性

对一种两侧布局的亚声速无人机进气道进行了气动设计和数值模拟研究,得到了该进气道的工作特性.结果表明,进气道唇口、两侧管道的汇合段、以及发动机轮毂对进气道流场和性能影响较大,发动机轮毂能改善进气道出口流场品质,降低流场畸变.在所有状态下,该进气道的总压恢复系数大于0.97,畸变指数小于0.15,满足发动机的工作要求.      

带进气道的隔离段流场实验研究与数值模拟

通过风洞实验与数值模拟研究了超燃冲压发动机带进气道的隔离段流动。结合RNGk ε模型隐式求解了三维N S方程,并将计算结果与实验结果进行了比较。研究发现,RNGk ε模型能较好地模拟出超声速流动的激波与分离现象;进气道喉道流动的非均匀性使隔离段内激波/附面层干扰流场与均匀来流条件下的流场有显著差别。风洞实验表明,同一个模型,风洞马赫数为3 85试验的隔离段入口压力畸变大于马赫5 3;但前者隔离段出口截面压力分布比后者更均匀;隔离段入口畸变度大,隔离段实际能达到的压升就低。研究表明隔离段内的总压损失在整个进气道 隔离段组合体总压损失中占了相当大的比重。     

高机动飞行下进气道/发动机相容性试验

为了评估飞行攻角和侧滑角快速变化对进气道出口畸变、发动机稳定性的影响,进行了某型飞机高机动下进气道/发动机相容性飞行试验,获得了快速飞行姿态改变时进气道与发动机相关参数的试验数据.通过对飞行数据的整理、计算和分析,研究了高机动状态下进气道出口的畸变特性、发动机稳定性以及进气道出口畸变和发动机稳定性的相关性.研究结果表明:高机动飞行状态下进气道出口流场品质变差,发动机稳定性变差.      

畸变流场的模拟装置及其选型

本文初步总结了国内外进气道－发动机匹配试验研究所用的几种进气道出口畸变流场模型装置的性能和使用经验，并根据我国当前的研究状况，提出了优先选用轴对称随机频率发生器作为在高空模拟试验台上进行进气道－发动机匹配试验研究的进气道出口总压畸变流场模拟装置和建议。     

超燃冲压发动机隔离段流动特性研究

隔离段是双模态超燃冲压发动机实现双模态和模态转换的一个重要部件,同时它把进气道和燃烧室隔离开,以防止燃烧室工作对进气道干扰,引起进气道不启动。由于隔离段内流场的复杂性及其广泛的工程应用前景,隔离段内的流动特性引起了人们广泛的关注。本文利用计算流体力学软件Fluent,采用k-ε湍流模型,近壁面采用非平衡壁面函数方法处理,控制方程的离散采用二阶迎风格式,对隔离段的流场进行了数值模拟,并分析了出口反压、来流马赫数等参数对隔离段内流场的影响。     

超燃冲压发动机隔离段流场数值模拟

隔离段是双模态超燃冲压发动机实现双模态和模态转换的一个重要部件,同时,它把进气道和燃烧室隔离开,以防止燃烧室工作对进气道干扰,引起进气道不启动。由于隔离段内气体流动的复杂性及其广泛的工程应用前景,隔离段内的流动特性引起了人们的广泛关注。本文使用隐式TVD格式,采用雷诺应力湍流模型,近壁面采用非平衡壁面函数方法处理,控制方程的离散采用二阶迎风格式,对隔离段内的流场进行了数值模拟,并分析了出口反压、来流马赫数对隔离段内流场的影响。     

采用新型基准流场的高超内收缩进气道试验研究

由于新型变中心体基准流场具有压缩效率高、反射激波弱的优点,采用该基准流场设计了矩形转圆形内收缩进气道,在设计点马赫数Ma=6.0进行了风洞试验研究。试验中得到了进气道压缩面的沿程压力分布、隔离段出口皮托压分布等参数。通过和数值模拟对比分析,结果表明：进气道外压段的压力分布明显具有先增大后减小的特征,内压段的压力分布具有两级爬升的特点,且压升较小,流场结构较好。由于内压段流场激波强度弱,进气道总压恢复系数较高,达0.518,并产生了52倍的增压比,其抗反压能力在144倍以上。试验研究表明,采用新型变中心体基准流场能改善矩形转圆形内收缩进气道的内压段流场及隔离段流场,并能有效提高进气道的总压恢复系数。     

实际进口条件下超声速燃烧室全流场研究

针对自行设计的超燃冲压发动机进气道/隔离段+燃烧室一体化模型,进行了燃烧室实际超声速来流条件下的冷态全流场试验研究与数值模拟,获得了模型在不同来流总压和燃烧室出口反压下的流场结构及沿程静压力分布。试验真实模拟了冷流条件下燃烧室实际的进口环境,结果表明:当燃烧室反压系数较低时,激波串在燃烧室扩张段附近形成;当燃烧室反压系数较高时,激波串在燃烧室进口处形成,并且由于凹槽的影响,激波串向燃烧室上壁面偏斜。     

抽吸对高超声速进气道抗反压能力的影响

对不同抽吸开孔率下某典型高超声速进气道进行了二维数值模拟,简要分析了压比变化对隔离段内部流场的影响,在该分析的基础上讨论了附面层抽吸对进气道最大抗反压能力的影响,给出了最大抗反压能力随抽吸流量之间的变化规律,分析了采用附面层抽吸技术提高进气道抗反压能力的原因.分析结果表明:采用附面层抽吸技术能够提高进气道的抗反压能力,相当于增加了隔离段的长度.抽吸孔面积越大,相对抽吸流量越大,进气道的抗反压能力越大.      

非均匀超声来流矩形隔离段内流场实验

针对超燃冲压发动机隔离段的非均匀进口条件设计了隔离段实验风洞，通过测量隔离段壁面压力和拍摄流场纹影照片研究了矩形隔离段内激波/紊流附面层相干流场。研究发现，隔离段进口的非均匀流使隔离段流场压升特征与附面层发展规律与均匀进口的隔离段流动有显著差异。用截面当量直径取代Waltrup公式中的圆管直径可以取得较好的吻合效果。在进口马赫数小于2时，升高同样的压力，非均匀进口隔离段产生的激波串长度比Waltrup公式预测的长度要长。纹影仪观察发现隔离段内激波存在严重的振荡现象。     

反压诱导方式对超燃冲压发动机隔离段流动特性影响

为了探究传统机械限流方式同燃烧释热对隔离段流动特性影响的异同,采用实验结合数值计算的方法研究了限流方式与实际燃烧诱导压升的差异.使用氢燃料进行不同当量比的燃烧实验,并使用燃烧室出口安装楔块的方式进行限流实验,对比了来流条件相同,且隔离段出口压比相同时两种实验下的压力分布.使用经过验证的数值方法模拟了不同隔离段出口压力下燃烧状态及对应的限流状态,对比了两种状态下隔离段流场细节.实验结果表明:激波链即将进入隔离段时,两者的压力分布大致相同;激波链进入隔离段后,隔离段出口压比2.3,两者的壁面压力分布有明显差别.此状态下的计算结果表明:燃烧状态下隔离段内分离区首先出现于下壁面,激波链向上偏折;而限流状态分离区出现于上壁面,两者的流场会有一定差异.反压继续增大的计算结果表明:隔离段出口压比达3.0时,两者的隔离段内流场差别逐渐减小并最终趋于一致.燃烧反压场与限流实验的模拟反压场一致时,才能直接采用限流实验的结果评估反压对进气道的扰动风险.      

反压作用下等直隔离段性能估算

对不同来流马赫数及不同反压下等直隔离段的出口温度、压力和马赫数进行了分析.通过曲线拟合,得到了不同反压下隔离段出口温度、压力及马赫数间的拟合式,据此给出了预估任意反压下,隔离段出口马赫数和温度的方法;研究了隔离段最大承受反压与无反压下隔离段出口马赫数的关系,分别给出了均匀来流和非均匀来流时隔离段最大承受反压的拟合关系式,为最大反压比的估算提供了方法;同时还给出了均匀来流条件下等直隔离段长高比的工程选取拟合式.      

反压作用下隔离段性能估算方法研究

在前期隔离段研究结果基础上,对不同来流马赫数及不同反压下等直隔离段的出口温度、压力和马赫数进行了分析。通过大量拟合,得到了不同反压下隔离段出口温度、压力及马赫数间的拟合式,给出了预估任意反压下,隔离段出口马赫数和温度的方法;研究了隔离段最大承受反压与无反压下隔离段出口马赫数的关系,分别给出了均匀来流和非均匀来流时隔离段最大承受反压的拟合关系式,为最大反压比的估算提供了方法;同时还给出了均匀来流条件下等直隔离段长高比的工程选取拟合式。     

高超侧压式进气道高焓脉冲风洞实验

为验证一种双楔顶压、侧板中置的侧压式进气道基本性能,设计了一套进口面积为110mm×91mm的双流道试验模型,并在300mm马赫数6的高焓脉冲风洞中进行了吹风实验。实验测量了进气道和隔离段内的沿程静压分布和隔离段进出口截面的皮托压力分布,分析了进气道内的典型流场特征,获得了进气道的基本性能参数,并以马赫数的测量为例阐述了流场不均匀性对测量结果可能造成的影响。实验结果表明,马赫数6来流条件下,该侧压式进气道流量系数为0.83,隔离段出口平均马赫数为2.57,总压恢复系数为0.296,增压比为23.7,表明这种侧压式进气道的气动布局方式能够获得较好的总体性能。     

三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火性能试验

对三级轴向旋流器燃烧室进行了不同进口速度、进口温度、三级轴向旋流器旋向组合和空气流量分配下的贫油熄火性能试验.研究结果表明:随着进口速度、进口温度的增加,三级轴向旋流器燃烧室的贫油熄火油气比减小,进口温度的升高对贫油熄火性能的影响显著;相同进口速度下旋向组合为逆时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比比旋向组合为顺时针-逆时针-顺时针方案的贫油熄火油气比约高50%;内旋流器空气流量的减小可使得贫油熄火油气比有所减小,但减小的幅度不大.      

某典型二元高超声速进气道内二次流分析

对某典型二元高超声速进气道三维流场进行了数值分析，将固壁面压力分布的计算结果与试验结果进行了比较，二者吻合较好，表明数值模拟方法正确，结果可信。分析了高超声速进气道流场的波系结构以及进气道(含隔离段)内二次流特征。给出了外压缩波系下的角涡的形成和发展规律，在侧壁与压缩面相交角区形成为逆时针方向角涡，角涡的形成、发展与近壁激波／侧壁附面层干扰以及压缩面有关。分析了隔离段中的激波的反射状况，提出了隔离段二次流的形成和发展规律以及影响因素。在隔离段进口附近存在一分离区。隔离段内二次涡的形成、发展和消失由上下壁面的压差，激波的移动方向(波后气流的横向流动)等决定。研究还表明对于高超声速进气道即使是二元进气道，也要关注二次涡的存在和发展。     

Tomography-like flow visualization of a hypersonic inward-turning inlet

The flow field in a typical inward-turning inlet was visualized using the Planar Laser Scattering (PLS) method in a shock tunnel with a nominal Mach number of 6. The opaque inlet, which is truncated at a series of sections, and the following transparent isolator, are combined to enable the optical access at different streamwise locations. The sequential PLS images provide a tomography-like flow visualization, which confirm the existence of streamwise Counter-rotating Vortex Pairs (CVPs) in both external and internal flow field of the inlet. Generation mechanisms of these CVPs are unraveled with the help of a numerical simulation, among which the cowl notch plays an important role in the generation of surface trailing CVPs along the centerline of the cowl. Moreover, the cowl shock sweeps the internal boundary layer towards the body side, which ultimately accumulates low-momentum flow on the body side in forms of a large CVP propagating downstream through the isolator. The CVPs formed in the shape-transition are responsible for the nonuniform flow field of the inward-turning inlet. This study indicates that the V-shaped cowl notch affects the downstream flow significantly and, therefore, should be examined thoroughly in practical applications.     

带高超进气道的隔离段流动特性

用Ma=5.3的风洞实验和数值模拟研究了高超三维侧压式进气道后的了段流动特性，隔离段的长高比为8。实验结果表明，位于进气道喉道的隔离段入口气流参数沿高度有极大变化，造成隔离段内上下的流态显著不同，研究发现，隔离段进出口最大允许压比与正激波压比基本相同，用Waltrup的经验公式作等直隔离段的初步设计是合适的。