高超声速进气道/隔离段内流特性研究进展

作为超燃冲压发动机的增压部件,高超声速进气道/隔离段内部存在一系列的复杂流动现象,本文概述了该领域的相关研究进展。高超声速进气道/隔离段内存在多种激波/边界层干扰现象,并受到膨胀波系等的干扰,使其特性偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的三维干扰特征、多波组合干扰特征,并在通道内诱导出了显著的二次流,特别是角区旋涡流动。隔离段内存在复杂的激波和膨胀波结构,这些背景波系在隔离段内不断反射,形成显著的流向和横向参数间断。当出口流道发生几何或热力壅塞时,隔离段内会出现更为复杂的激波串现象。激波串和上游背景波系、角涡相干,呈现出明显的偏向性,并在前移过程中可能会出现两种特殊的动态前移过程。尽管最近对高超声速进气道/隔离段内流特性的认识得到了极大地提高,但仍然有较多的基础问题亟待解决。     

高能电弧等离子体激励控制双压缩拐角激波/边界层干扰实验研究

超声速/高超声速飞行器进气道入口处多采用多级压缩构型,其诱导的激波/边界层干扰严重影响进气道效率和飞行器的气动性能,因此对双压缩拐角激波/边界层干扰进行流动控制具有较强的应用背景。在来流速度为Ma=2.0的风洞内,针对三种典型的双压缩拐角构型,开展了高能流向脉冲电弧放电阵列调控双压缩拐角激波/边界层干扰的实验研究,并对激励流场的高速纹影图像进行了空间梯度阈值处理和均方根处理。结果显示,在激励的作用下两道分离激波的强度均减弱,验证了利用高能流向脉冲电弧放电阵列控制双压缩拐角激波/边界层干扰的可行性。在分析控制效果的基础上,获得了在不同构型拐角的流场中前驱冲击波列和控制气泡的演化规律,结合控制效果的时序特征,最终揭示了高能流向脉冲电弧放电阵列作用于双压缩拐角激波/边界层干扰的前驱控制和接续控制的接力控制机理。     

高超声速双模块内转式进气道的流动特性研究-Part I： 设计状态

本文通过特征线法设计了基于多道激波+等熵压缩波的基准流场,在此基础上通过流线追踪法设计了双模块内转式进气道。通过数值仿真和风洞试验相结合的方法,获得了内转式进气道的内外流特性。研究结果表明：在内转进气道最大半径对应的角区位置存在大量的边界层堆积,受第二道激波/边界层干扰,在激波根部卷起锥形旋涡;在内转式进气道内部,唇罩激波和管道边界层干扰显著,管道内存在自唇罩指向压缩面的强周向压力梯度,从而诱导管道内边界层均往一处汇聚,卷起大尺度流向涡。仿真和试验结果表明在来流马赫数5.74,攻角0度状态下,进气道气动性能优良,出口总压恢复系数系数达到0.58,最大抗反压为112倍。     

隔板对低外阻二元高马赫数进气道反压特性的影响

为了提高低外阻二元高马赫数进气道的抗反压性能,研究了在内收缩段设置隔板对低外阻二元高马赫数进气道抗反压能力的影响,通过数值仿真计算了两组不同内收缩比的低外阻二元高马赫数进气道内收缩段有/无隔板下的反压特性,并对比分析了相应的流场结构。结果表明,隔板能够显著抑制低外阻二元高马赫数进气道内强激波/边界层干扰现象,改善隔离段入口截面气流参数分布的均匀性,使隔离段内激波串结构上下较为对称地推进。内收缩比1.566进气道引入隔板能够将极限反压提高4.2%。引入隔板能够在增加进气道压缩效率的前提下,提高进气道的最大抗反压能力,拓宽进气道的稳定工作范围。     

超声速压缩拐角激波/边界层干扰动力学模态分解

压缩拐角激波与边界层干扰问题广泛存在于高速飞行器的外部和内部流动中,其非定常复杂流场结构对飞行器气动性能影响显著。动力学模态分析将有助于进一步加深理解激波与边界层干扰流场不同特征频率对应的流动结构及动力学特性,为揭示其复杂流动机理提供参考。本文采用动态模态分解(DMD)方法对来流马赫数为2.9、24°压缩拐角内激波与超声速边界层干扰下的非定常流动进行了模态分析。评估了稀疏改进动态模态分解方法在压缩拐角流动中的适用性,研究了湍流干扰和转捩干扰下典型特征频率对应的动力学模态空间结构差异及其原因,分析了转捩边界层展向非均匀性对低频/高频模态动力学机制的影响规律。研究发现,湍流干扰与转捩干扰下拐角干扰区内均存在两类截然不同的动力学模态:低频模态和高频模态。低频模态结构集中在分离激波及分离泡剪切层的根部,表征为分离泡的大尺度膨胀和收缩运动;高频模态空间分布则以平均声速线附近正负交替结构为主,对应为边界层内不稳定波沿剪切层往下游的传播。转捩边界层的展向结构对低频模态运动特性影响明显,而对高频模态的影响则相对较小。     

弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性研究

为研究内转式进气道前体压缩激波与机体边界层之间的弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰现象,对矩形捕获型线、直母线圆锥基准流场生成的内转式进气道压缩型面进行简化,并利用数值仿真方法对简化模型进行计算,分析并对比了非耦合和耦合情况下弯曲后掠压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性.结果表明:非耦合模型所形成的分离区呈弯刀形,分离区...     

基于T-S波谐频共振的超燃进气道边界层转棙研究

针对超燃冲压发动机进气道由于激波-边界层干扰引起的边界层分离以及进气道堵塞问题,提出了一种基于T-S波谐频共振原理的进气道边界层控制方法,并通过一种典型的二元进气道风洞试验进行了方法验证。研究结果表明,本文所提出的转捩控制方法能够较好的消除由激波-边界层干扰而引起的边界层分离现象,进而降低边界层分离对进气道性能的不良影响,确保进气道性能。同时说明,在超燃进气道设计过程中,需要充分考虑边界层转捩问题,引入有效的边界层转捩控制方法,以保证发动机的正常工作。      

唇罩内型面对内转式进气道流动特性影响研究

内转式进气道流场参数分布不均,为改善进气道的流场结构、提高其气动性能,采用数值仿真方法开展了唇罩内型面对内转式进气道流动特性影响的研究。研究结果表明:唇罩内型面影响唇罩激波强度、形态与内流道波系结构,进而影响唇罩激波与侧壁边界层干扰诱发的三维流向涡的产生、发展以及空间分布;在研究范围内,随着唇罩压缩角减小,唇罩激波减弱,内转式进气道流场参数周向分布更加均匀,出口总压恢复系数先增大后减小,抗反压能力不断增强,最高增大了12.7%。     

基于T-S波谐频共振的超燃进气道边界层转捩

针对超燃冲压发动机进气道由于激波-边界层干扰引起的边界层分离以及进气道堵塞问题,提出了一种基于Tollmien-Schlichting(T-S)波谐频共振原理的进气道边界层控制方法,并通过一种典型的二元进气道风洞试验进行了方法验证.研究结果表明,提出的转捩控制方法能够较好地消除由激波-边界层干扰而引起的边界层分离现象,进而降低边界层分离对进气道性能的不良影响,确保进气道性能.同时说明,在超燃进气道设计过程中,需要充分考虑边界层转捩问题,引入有效的边界层转捩控制方法,以保证发动机的正常工作.     

基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法

针对高超声速进气道内强唇罩激波/边界层干扰带来的大尺度分离、流动损失大等问题,提出了基于后掠唇罩的入射激波/边界层干扰流动控制方法。在来流马赫数3、唇罩压缩角18°条件下,仿真对比了后掠/平直2类唇罩2种构型干扰区内的流动特性。结果表明：后掠唇罩入射激波/边界层干扰产生的分离包尺度沿展向呈现逐渐增加的趋势,利用三维后掠入射激波产生的自对称面往两侧的顺压梯度,驱动低能流往两侧迁移,可使得分离区流向尺度相对于平直唇罩构型最大可减小50.6%;在后掠唇罩干扰区内,压力分布呈现以分离线曲率中心为虚拟中心的椭圆相似特征。     

引气在超声进气道中的研究现状及应用探讨

激波/附面层干扰现象的存在严重影响超声进气道的气动性能和稳定工作范围。经过50多年的研究和实践,引气作为主动控制的有效方式,现已广泛用于超声进气道的流动控制。从附面层控制引气和稳定性控制引气两个方面对引气在超声进气道中的研究应用进行了回顾。阐述并总结了引气对激波/附面层干扰的控制机理及其对超声进气道流动稳定性的影响,展望了高超声速进气道中引气技术的发展趋势。     

乘波前体两侧高超声速内收缩进气道一体化设计

为了探索两侧进气系统的流场结构及气动性能,采用吻切锥乘波前体、压升规律可控的一种高超声速内收缩进气道设计了两侧进气布局的高超声速飞行器一体化进气系统,并进行了数值模拟,研究了进气系统的流场结构、速度特性、攻角特性以及侧滑角特性等。结果表明,设计点前体外流场和进气道内流场相互独立,接力点前体前缘激波和进气道前缘激波相互耦合。由于未吞入前体附面层,因而进气道内激波附面层相互作用较弱,没有产生分离;随来流马赫数增大,进气道总压恢复系数减小,增压比增大显著,升阻比几乎不变;随攻角增大,流量系数增大明显,总压恢复系数略有减小,增压比增大明显,升阻比逐渐增大;随侧滑角增大,进气道总体性能逐渐减小,迎风侧进气道性能下降较小,背风侧进气道性能下降明显。     

三维造型对高负荷跨声风扇静子的影响分析

以负荷系数高达0.42的跨声风扇进口级为背景,利用三维数值模拟手段,研究了叶片三维气动造型技术对高负荷跨声风扇静子气动性能的影响,并深入地分析了其影响机理.结果表明:由于激波在静子叶根有垂直于轮毂端壁的趋势,因此前掠造型对于激波/端壁附面层所主导的静子角区分离的控制效果并不明显;相比之下,正弯静子通过加入叶片力使得角区中的低速流体向叶中发生径向迁移,显著地改善了静子的性能;而复合弯掠进一步提高了静子的性能,说明单纯使用前掠造型收效不佳,需要配合正弯造型才能达到最佳效果.      

弹用高亚音速S形进气道设计和试验研究

简要介绍弹用涡轮喷气发动机的一系列高亚音速Ｓ形进气道气动设计和试验研究结果，并提出了关于高亚音速Ｓ形进气道在弹上的位置，进气道长度，进口形状，进口面积，内外唇口以及Ｓ形通道型面等设计的基本准则，通过风洞模型试验和发动机／进气道匹配试验，发现不同弹体布局对进气道性能的影响，借助激光技术观察并记录了弹体涡在一定攻角情况下进入Ｓ形腹部进气道的现象，与其它测试结果相配合，证实了弹体涡，弹翼波以及附面层的互     

二维超音速进气道性能实验研究

介绍几何喉道上游具有不同进口侧板、不同槽宽的附面层吸除槽和槽腔出口不同放气孔面积的二维超音速进气道,在自由流马赫数:Ma_∞=1.793,2.037,2.292,2.557;攻角:α=0°,3°,6°,10°,-6°条件下的实验研究结果。讨论了零攻角下,有无吸除时进气道的流型、性能和不同侧板、吸除槽宽、放气孔面积对进气道性能的影响。分析了二维超音速进气道的攻角特性;描述了进气道结尾波系随下游反压增高时的波系演变图案,录相显示了具有一定槽宽、一定吸除量的实验模型具有连续的气动特征,如同全外压式进气道那样,结尾波系从超临界连续地通过槽区到达亚临界。     

基于超燃冲压发动机的HIFiRE项目飞行试验研究进展

飞行器在临近空间内的气动特性及发动机性能一直是各国高超声速项目研究的重点,为探索边界层转捩、激波边界层相互作用以及气动加热效应,美澳牵头于2006年联合启动了HIFiRE项目,采用探空火箭发射进行重点技术验证的模式开展了系列创新性研究。项目重点关注20~38km空域,4~8速域飞行马赫数,试验方案通过单项验证、系统集成的思路逐步深入,将一体化设计的乘波体从无动力滑翔推进到有动力巡航,最终完成带超燃冲压发动机高升阻比飞行器的总体性能测试。研究结果表明:①试验飞行器的边界层转捩高度在35~25km;②乘波体飞行器在飞行马赫数为7时最大升阻比为5.6;③超燃冲压发动机的飞行试验中,在86.2kPa的恒定动压下,飞行马赫数从5.5加速到8.5,试验中发动机实现了从亚燃到超燃的模态转换。      

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。     

Drag increment induced by a small-scale forward-facing step in Mach number 5 turbulent boundary layer flows

Small-scale roughness elements or imperfections are inevitable over the surface of a flight vehicle. The aerodynamics of these small-scale structures is difficult to predict but may play an important role in the design of a flight vehicle at high speed. The forward-facing step is a typical type of roughness element. Many experiments have been conducted to study the aerodynamics of supersonic forward-facing step, especially with a step height larger than boundary layer thickness. However, few studies focus on small steps. To improve the understanding of small-scale forward-facing step flow, we perform a series of simulations to analyze its aerodynamic influence on a Mach number 5 turbulent boundary layer. The general flow structures are analyzed and discussed. Several shock waves can be induced by the step even if the step height is much smaller than the boundary layer thickness. Two significant shocks are the separation shock and the reattachment shock. The influenced area by the step is limited. With the increase of the step height, the non-dimensional influence area decreases and gradually converges when the step height reaches the boundary layer thickness. There are two normalized distributions of the skin friction coefficient and pressure coefficient associated with step height. By using the normalized parameters, a power-law relationship between the step height and the drag increment coefficient is revealed and fits the simulation results well. It is further illustrated that this relationship still holds when changing the inlet angle of attack, but needs slight modification with the angle of attack.     

飞机机身腹部与两侧进气道性能比较试验研究

通过高低速风洞试验,对比迎角和侧滑角对机身腹部和机身两侧进气的进气道气动性能的影响。试验结果表明:在超音速来流状态下,当迎角增加到5°时,腹部进气道的气动性能改善,而两侧进气道的气动性能几乎不变;在亚音速来流状态下,当迎角从6°逐渐增加到所试验的值(高亚音速为12°,低速为30°),两侧进气道的气动性能逐渐明显变差,而腹部进气道的气动性能对迎角并不敏感,基本能保持无迎角时的性能;在高低速来流状态下,两种型式进气道的气动性能对所试验的侧滑角β(小于6°或9°)均不敏感。