二维超燃冲压发动机磁控进气道的数值模拟

针对飞行马赫数大于设计马赫数的情况,采用二维磁流体动力学方程对磁控进气道进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明磁流体装置的电磁作用可以使非设计马赫数下进气道激波满足SOL(shock on lip)条件,并使出口处的流动变得均匀。分析了磁流体作用位置、宽度和深度等关键控制参数对该类进气道性能的影响,计算结果表明,磁流体作用区域越靠近飞行器前缘,而且在纵向越深,则进气道出口处的流动越均匀,但流率会有所下降;若磁流体作用区域较宽,则需较小的磁场就能使非设计马赫数下进气道的激波结构满足SOL条件。     

中国超燃冲压发动机研究回顾

回顾了中国近年来在超燃冲压发动机领域的研究进展。首先是高超声速进气道的研究进展,包括高超声速进气道中激波与附面层干扰、起动和再起动、隔离段、进气道附面层抽吸、进气道通道内外压缩比、侧压式进气道、Busemann进气道等。其次是超声速燃烧方面的研究及模型超燃冲压发动机研究。最后对研究工作进行了评述。     

双模态超燃冲压发动机准一维流场数值模拟

使用一维模型和定比热假设,对超燃发动机在超声速状态下的几何截面的设计及在固定几何截面如何调节气动热力(燃烧速率,喷射位置等)优化工作状态进行了数值研究。采用加热规律经验公式,分析加热规律变化对燃烧室和隔离段内流动参数的影响。采用四阶龙格-库塔法对一维控制方程求解,表明几何形状及加热规律对燃烧室工作的优劣有很大的影响。通过研究发现完全可以单独通过调节加热规律达到优化燃烧工况的目的。     

Hyshot超燃冲压发动机的CFD数值模拟

以Hyshot超燃冲压发动机试验为研究对象,分别对冷流和燃烧工况进行了CFD数值模拟.冷流模拟计算得到的壁面压力与试验结果吻合良好,且数值计算压力分布对采用的湍流流动模型不敏感;但是采用不同的湍流流动模型计算的湍流参数(湍动能和耗散率)差别很大,会对氢气燃料与气流的掺混产生重要影响,进而影响燃烧模拟结果.采用SST(shear stress transport)k-ω湍流流动模型和EDM(eddy dissipation model)湍流燃烧模型得到的模拟结果与试验结果基本吻合,但是计算压力峰值略靠后.对8个不同氢气燃料喷射角度的工况进行数值模拟结果表明喷射角度为99°和114°时燃料和空气混合最好、燃烧效率可达到最高.     

高马赫数超燃冲压发动机性能数值研究

考虑水平起降要求,构造了一种采用流线追踪内转式进气道、圆形截面燃烧室的双侧布局高马赫数超燃冲压发动机,设计点马赫数为7。对Ma 7~10范围内的发动机性能进行了数值模拟,给出了发动机进气道性能、整机性能,对燃烧室内的燃料掺混和燃烧情况进行了分析。此外,采用一维性能计算方法对燃烧室性能进行了预估。研究表明,此发动机性能可满足飞行器推阻匹配需求;一维性能结果与三维数值模拟的压力分布处于15%的误差范围内,可用于发动机性能的快速预估。     

固体火箭冲压发动机进气道三维数值模拟

基于RANS平均的N-S方程、标准k-ε双方程湍流模型,利用FLUENT软件对某型固体火箭冲压发动机进气道内外流场进行了三维数值模拟.研究了不同马赫数下进气道前体、入口、进气道出口流场和流动特性;考虑了弹体,缩比,网格划分对进气道流场出口参数的影响.模拟结果表明:随着飞行马赫数的增加,由前缘点产生的激波逐渐靠近弹体,进气道内部总压恢复系数降低,在进气道出口处压力比较高,出口流场基本均匀.      

MHD加速器模式磁控进气道的优化设计

为提高超燃冲压发动机进气道在非设计状态下的性能,对磁控进气道进行了研究。采用二维磁流体动力学(MHD)模型对加速器模式的磁控进气道进行了数值模拟和参数优化。分析了电磁作用使空气流率增加的原因,选取了一组优化的设计参数进行数值模拟,确定了磁流体关键参数与进气道主要性能参数的匹配原则。分析表明磁场的大小和方向以及电磁作用的位置对进气道性能有重要影响;唇口附近及上方的电磁作用对增加空气流率起到了关键的作用,磁流体加速器可以显著增加进气道的空气捕获率和压缩比,但由于不可逆效应总压恢复系数会减小。研究结果表明,当飞行马赫数小于设计马赫数时加速器模式的磁控进气道可以提高进气道的性能。     

基于磁流体控制的高超声速进气道黏性效应

建立引入电磁源项的二维低磁雷诺数磁流体动力学(MHD)方程组,对高超声速二维前体/进气道黏性流场进行了数值模拟.在给出了进气道高于设计马赫数的非设计工况下黏性流场的基本特征基础上,进一步分析了施加MHD控制对进气道黏性效应的影响.结果表明:施加MHD控制可以有效抑制非设计工况下内进气道表面的附面层分离,改善上壁面的热状况,平衡上、下壁面之间的热负担;黏性作用下,进气道流场及性能参数随磁感强度的变化规律与无黏模型计算结果存在较大差别,对磁流体控制的高超声速进气道研究不可忽略黏性的影响.      

磁流体能量旁路超燃冲压发动机的混合 和燃烧性能数值研究

为了研究磁流体能量旁路超燃冲压发动机(AJAX)的混合燃烧性能,采用三维数值方法,分别对磁流体发电器作用区和化学反应区进行模拟.在其他条件不变的情况下,改变磁场强度和载荷因子从而改变燃烧室的入口条件,得到不同磁流体条件下的混合效率和燃烧效率.计算结果显示:随着磁场强度的增加和载荷因子的减小,混合效率都提高了,最多提高了11.4%,在热离解不明显的燃烧室前半段,燃烧效率也都有所提高;在燃烧室后半段,不出现热离解时燃烧效率最多提高6.5%,此时磁流体装置的引入可使燃烧室长度缩短25%,可降低飞行器的几何尺寸,减轻飞行器质量;出现热离解时,燃烧效率会有所降低甚至低于无磁流体作用时的情况,因此应尽量避免磁场强度过大或载荷因子过小引起燃烧室入口静温过高造成热离解降低燃烧效率.      

磁控进气道二维性能计算

超燃冲压发动机进气道通常都是针对某一特定的马赫数进行设计的,当飞行马赫数不在设计马赫数时发动机性能急剧降低,磁控进气道的应用很有可能解决这一技术难题.对磁控进气道内的流动情况进行了二维数值模拟.飞行马赫数大于设计马赫数时采用磁控进气道可以调整激波位置使激波回到设计点,并减小燃烧室入口处的马赫数.分析了霍尔效应对磁控进气道性能的影响,结果表明分段电极可以有效减小霍尔效应的不利影响.      

基于电子束电离的磁流体力学进气道流动控制数值模拟

采用基于电子束电离的磁流体力学(MHD)控制系统,对高超声速流场附面层,以及非设计状态下的高超声速进气道流场的磁流体控制进行了深入研究.控制方程为低磁雷诺数Navier-Stokes方程,采用等离子体动力学模型与电子束模型模拟空气电离过程.研究结果表明:①电子束电离能有效提高流场的电导率,增强磁场对流场的控制效率;②基于电子束诱导电离的MHD控制系统能有效地控制高超声速流场的附面层,但其控制效率跟电子束能量大小相关;③基于电子束诱导电离的MHD控制系统能有效地改变非设计状态下高超声速飞行器的斜激波结构,使进气道重新满足Shock-on-lip(SOL)条件,但进气道的总压恢复系数以及流量将会降低.      

磁控进气道的临界焓提取率研究与数值验证

为保证磁控进气道工作于起动状态,提出了临界焓提取率的概念,采用涡轮喷气发动机的模型对磁控进气道进行类比分析,推导得到了磁控进气道在临界起动状态下的模型.最后通过数值验算,磁控进气道的临界状态模型与数值结果符合较好,误差小于5.7%,可为磁控进气道的设计提供参考.      

宽马赫数范围高超声速进气道转动唇口变几何方案研究

结合简单一维流理论讨论了一种工作于Ma=4～7、采用可转动唇口的变几何二元高超声速进气道设计方案,并利用数值仿真手段对其Ma=4下的自起动性能及其他不同工作马赫数下的性能进行了研究.结果表明:所设计的变几何进气道必须辅以附面层排移措施才能在Ma=4下顺利实现自起动;该变几何方案Ma=4下的流量系数达0.7以上,这为飞行器加速提供了强有力保障;与定几何进气道相比,变几何进气道高低马赫数下的总体性能均得到显著提高;此外,转动唇口的铰接位置对自起动性能有重要影响.      

一种提高后掠侧压式进气道流量系数的有效措施

在一种双楔顶压、侧板中置的常规后掠侧压式进气道基础上通过减小顶板第二压缩角,引入圆弧压缩面设计了一种具有较高流量系数的进气道.利用Fluent商业计算软件对比研究了该进气道与常规进气道在Ma=6和Ma=4下的流动特征及性能.研究发现,新的改进措施能在几乎不降低进气道总压恢复系数的前提下大幅度提高流量系数:在Ma=6来流条件下,改进后的进气道流量系数为0.87,比常规进气道提高14.5%;在Ma=4来流条件下,流量系数为0.69,提高了19%.     

新型曲面压缩的高超侧压式进气道数值仿真

为进一步提高侧压式进气道性能,提出了变侧压角与变后掠角+变侧压角两种新型曲面压缩的侧压式进气道设计方案,利用数值仿真手段对其M6、M4下的流场结构及总体性能开展了研究,并与常规平面压缩的侧压式进气道进行了比较。结果表明,曲面压缩的侧压式进气道性能要明显优于常规平面压缩的进气道;采用变后掠角+变侧压角设计的曲面侧压式进气道具有前掠与后掠两种进气道的优点,能显著提高进气道高低马赫数下的性能。计算发现,马赫6设计点下,变后掠角+变侧压角的曲面侧压式进气道流量系数较常规进气道提高4.1%,总压恢复提高5.3%,二者之和为9.4%;马赫4来流条件下,流量系数提高6.3%,总压恢复提高5.4%,二者之和为11.7%。     

马赫数4～7的高超侧压式进气道气动设计与性能

对巡航马赫数为7、转级马赫数为4的宽范围侧压式进气道进行了设计,讨论了主要设计参数的选取原则,给出了一种曲面压缩的高性能侧压式进气道设计方案,并利用数值仿真手段对其流场结构及性能进行了研究.结果表明,所设计的侧压式进气道在马赫数Ma=4时的流量系数达到0.753,最大正攻角可达6°以上.Ma=6时,流量系数达到0.94...