隔离段横向喷流作用下激波串运动特性研究

在马赫数6的激波风洞中,通过隔离段壁面处的横向喷流控制隔离段反压,借助高速纹影和壁面静压测量,研究了二元进气道/隔离段内激波串运动特性。结果表明:进气道起动后,流场中的反射波系构成了背景激波;开启横向喷流后,隔离段下游气流不断蓄积使得反压升高,隔离段内出现激波串。在反压作用下,激波串逐渐前移,其前沿激波的形态和前移速度受上游背景激波的影响而发生变化;背景激波入射壁面的区域自身存在较强的逆压梯度,能够增强与入射点同侧的前沿激波分支,使得前沿激波急剧前移。前沿激波被推出隔离段后,在进气道肩点附近短暂振荡,反压进一步增大后,进气道不起动并出现喘振。关闭喷流使反压降低后,进气道再起动。     

管内激波串振荡和壁面脉动压力特性

分析了管内激波串振荡引起的壁面压力脉动特性.采用直联风洞实验方式结合动态压力测量技术获得了矩形管道内不同激波串位置下的壁面压力分布数据,对所得压力脉动幅值、功率谱密度曲线等结果进行分析,探讨激波串流动非定常特点与引起压力脉动的机制.     

矩形隔离段内激波串结构及其影响因素分析

隔离段是超燃冲压发动机的重要组成部分,主要作用是隔绝燃烧与进气道的相互干扰。隔离段中存在的复杂流动现象一直是人们研究和关注的重点。利用三维数值模拟方法对矩形隔离段激波串特性影响因素进行了研究,主要分析了不同来流马赫数、单侧和对称扩张角以及壁面凹腔等因素影响下的激波串特性。结果表明:在高来流马赫数条件下,隔离段内激波串长度变短,隔离段抗反压能力增强,总压损失增大;在单侧和对称扩张隔离段内的激波串结构存在差异,且隔离段后的流场总压损失与扩张形式无关;隔离段添加壁面凹腔后,在不同反压下会出现2种模态（亚临界凹腔模态和超临界凹腔模态）,2种模态下隔离段内激波串结构及流场参数特性有所不同,超临界凹腔模态下隔离段抗反压能力下降,总压损失增大。本文的研究结果可为隔离段和燃烧室设计及试验提供参考。     

隔离段进口非对称来流对激波串结构的影响

考虑进气道出口流场的影响,设计了针对非对称超声速来流矩形隔离段流场研究的直联式试验风洞,模拟进气道出口流场的各种非对称进口条件进行了吹风试验,并测量了隔离段壁面静压和隔离段进口皮托压力。研究发现,随隔离段进口流动非对称程度的增加,激波串长度增加而隔离段耐受反压的能力下降。考虑了隔离段进口流动非对称的影响,对Billig—Wahrup的激波串长度公式作了改进,故提高了激波串长度预测的精确程度。     

矩形截面超燃发动机不同燃烧模态下的流场特征

为研究乙烯燃料矩形截面超燃冲压发动机不同燃烧模态下的流动特性,在直连式试验的基础上对冷流和不同当量比的4个状态进行了三维定常数值模拟,比较了试验和计算结果,选择了适用于本构型的模态判别准则,给出了流道内壁面压力、一维平均马赫数的沿程分布规律,分析了各状态下流场中波系结构、流动分离及燃烧的特征。研究结果表明:采用AHL3D对该发动机进行三维计算所得壁面压力与试验壁压吻合良好,试验与计算具有较好的一致性;未注油的冷态情况下流道内形成由多道斜激波与膨胀波组成的反射波系,壁面压力波动较大,波系分布主要受流道结构影响;纯超燃模态时,燃料喷射与主流相互作用使注油位处形成明显激波,压升起点固定在注油位之后,注油位波系对流场结构的影响较大,同时分离结构分布在整个凹槽内;双模态超燃时,流道内主导波系是激波诱导边界层分离形成的斜激波串结构,燃烧室内波系较弱,此时隔离段内激波串前缘后的角区出现分离,凹槽内分离区域减小;双模态亚燃时,随着逆压梯度激波串的前移,隔离段内角区的分离面积不断扩大,凹槽内分离区进一步缩小。发动机处于双模态超燃或双模态亚燃模态时,随着激波串结构的形成与前移,部分燃烧可能在隔离段内完成;而对于纯超燃模态,燃烧仅发生在凹槽与扩张段内,化学反应与高温区的分布相对更集中。     

隔离段激波串精细结构与压力特性实验研究

在马赫数为2.5的等截面隔离段风洞中开展了无控制和安装T形涡流发生器两种情况的瞬态流场结构显示与压力测量的实验研究。运用常规纹影和基于纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）对两种不同状态的隔离段激波串三维流场精细结构进行了显示测量。结果表明:较传统纹影的测量结构而言,NPLS精细测量能够得到湍流边界层、激波串、分离区等细节结构。T形涡流发生器产生的展向涡与激波串相互作用,激波串前缘结构为分叉正激波,紧跟其后的第二道激波实际上结构与其类似。同时采用高频压力传感器对两种隔离段中激波串的壁面压力进行了测量,采用常规统计分析方法和差分平方累和方法对激波串压力分布、脉动及其上传特性进行了分析。分析表明,差分平方累和方法可以有效检测激波串的前缘位置。     

激波管壁面边界层脉动特性的分析与计算

本文分析了激波管壁面湍流边界层脉动压力的强度、脉动压力的频率特性及共传播与衰减特性,给出了这些特性的计算方法。通过算例说明了②区和③区壁面脉动压力的强度及其频率随激波马赫数的变化规律,并讨论了壁面脉动对激波管气流品质的影响。     

脉冲爆震发动机反压传播规律数值研究

为研究吸气式脉冲爆震发动机反压的传播规律,以一种特殊构型的隔离段与长径比为20的爆震室构成的发动机流道作为基准模型,并选取4种构型作为对照组,进行了单次爆震的数值模拟。研究了反压的反传速度、峰值及其衰减率,计算了基准模型的总压恢复系数。结果表明:设计的隔离段能有效降低反压的反传速度和峰值;爆震室的长径比越大,所含的燃料和氧化剂越多,反压越难以抑制;在反压向上游传播的初期,压力峰值的衰减率主要受隔离段结构的影响,之后则主要取决于反传距离;当来流压力一定时,长径比越小的爆震室,排气过程越迅速,反压下降得越快;在海平面大气条件下,当来流马赫数为0.15~0.80时,所设计的隔离段并未造成大的总压损失。     

不同飞行工况下双模态发动机流动及燃烧特性

为研究煤油燃料矩形截面双模态超燃冲压发动机在不同飞行工况下的流动及燃烧特征,在通过直连式试验验证计算方法的准确性后,对6个不同马赫数及当量比工况进行了三维定常数值模拟,得出了发动机壁面压力、一维质量平均马赫数沿流向的分布规律,分析了各工况下流场中波系结构、释热变化率等特征。研究结果表明:不同工况下发动机明显工作于两类不同的燃烧模态。当发动机处于预燃激波串前传至注油位以前的亚燃模态时,凹槽段波系相对较弱;随着激波串的前移,隔离段中形成明显的分离旋涡结构将燃料卷至上游,部分燃烧在注油位之前已完成;在燃烧室内,分离主要发生于凹槽内部,燃烧释热集中于第一凹槽头部。当发动机处于激波串未前传的超燃模态时,凹槽段波系相对更强,流动参数波动更大,燃烧在注油位以后进行,燃烧室内分离旋涡在流向跨度大,形成从第一凹槽前缘至第二凹槽处的连续流动分离;分离旋涡有助于燃烧向下游传播,因此释热沿流向分布更均匀、更分散。在过渡段诱导流动分离,促使燃烧室内形成大流向跨度的分离旋涡可能有助于燃烧向下游传播,实现分布式释热,避免释热过于集中导致激波串前传。     

动态节流下激波串运动特性的模拟和分析

为研究动态反压下的激波串特性，针对一种带凹腔的二元进气道/隔离段构型，在马赫数为6的来流下模拟了堵塞比从0.20增长到0.32再保持不变的动态节流流动，分析了堵塞比增长时间（1～10 ms）对激波串运动的影响。结果表明:激波串在节流变化初期向下游运动，随后向上游运动并最终稳定在某一位置。当堵塞比增长时间在5 ms以内时，激波串向下游和向上游运动的幅度分别为3 mm以内和约18 mm，且激波串运动滞后于节流变化，滞后时间随着增长时间的延长而缩短。当增长时间大于等于6 ms时，激波串可向下游运动到凹腔中部，幅度可达31 mm，并伴随着流动振荡；向上游运动幅度仍约为18 mm，激波串运动与节流变化近似同步。分析表明:较短增长时间工况下，激波串运动滞后主要是因为节流引起反压升高、传播时间大于堵塞比增长时间；较长增长时间工况下，凹腔内流动振荡主要是堵塞比增长初期凹腔亚声速区排出流量增加，回流区横向尺度减小，导致凹腔超声速区膨胀并出现“壅塞”，产生分离激波与回流区相互作用、发生振荡。工程设计时应考虑激波串运动的滞后及其对流动性能的影响。     

背景波系下的隔离段激波串运动特性及其流动机理研究进展

对高超声速进气道-隔离段激波串在复杂背景波系下的突跳运动特性及其流动机理的最新研究进展进行了综述,涵盖了背景波系作用下的激波串运动特性、突跳机理和突跳运动特性的数学描述方法,以期对高超声速进气道相关研究工作提供一定的参考。首先,对固定背景波系和变化背景波系下的激波串运动特性和突跳机制进行阐述,指出隔离段壁面压力顺压力梯度和逆压力梯度的交替变化是激波串突跳特性产生的内在物理机制。其次,对背景流场下隔离段激波串突跳运动的触发机理和触发条件进行了讨论。最后,基于对运动特性和突跳机制的认识,尝试给出了背景波系作用下的隔离段激波串运动特性的数学模型,为激波串前缘位置控制提供参考。     

三面压缩式高超声速进气道流动结构研究

采用油滴显示技术结合数值模拟方法对三面压缩式高超声速进气道的流场进行了深入研究.结果揭示由于激波-边界层干扰,三面压缩进气道内存在边界层分离、溢流和三维涡结构等复杂流动现象,尤其是唇口诱发的较大强度的斜激波引起了侧壁和顶面的边界层分离,并在顶面附近形成大尺度的流向涡,造成隔离段内存在明显的分层现象,形成低总压区,需要在进气道设计时对这一现象进行有效控制.     

矩形转圆形进气道马赫5正8°攻角启动性能分析

在马赫5、正8°攻角状态对收缩比为6.9的带楔形前体的矩形转圆形内收缩进气道进行了风洞试验和数值模拟,研究了该进气道无放气及有放气时在风洞中的启动特性。结果表明,无放气状态该进气道在风洞中并不能顺利启动,不启动状态进气道顶板上存在较大分离区,分离激波被推出内压缩段,此时总压恢复仅为0.378,增压比为54.1,出口马赫数为1.48。通过在内压段的顶板上激波附面层相互作用区域放气后,该进气道可在风洞中正常启动。启动后总压恢复为0.558,增压比减小至44.9,出口马赫数为1.84,放气量约为唇口封闭处截面流量的1.2%。以上研究表明,放气可有效改善内收缩进气道的启动性能,启动后放气量较小,总体性能较优。     

超声速流中激波/湍流附面层干扰数值模拟

采用修正的B／L湍流模型以及多块结构化网格求解了二维N-S方程。分别对超声速流和高超声速流中的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。本文首先研究了进口马赫数为2．96的超声速流。计算结果准确预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征：分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波。计算的壁面压力分布与实验值吻合较好，计算的分离区长度与实验值比较有一定误差。本文还对进口马赫数为9．22的高超声速流中压缩角引起的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。计算结果与实验结果吻合较好。