高超声速进气道-隔离段反压引起不起动计算

1引言隔离段是高超声速进气道不可缺少的组成部分,它是进气道与燃烧室之间的气动热力缓冲段。隔离段的主要作用是承受下游燃烧室的反压变化而不影响上游进气道的流态,避免进气道出现不起动。隔离段应在承受反压变化的同时不破坏上游进气道流场,组织好隔离段内所形成的激波串,高     

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。     

宽高比对二元高超声速进气道性能的影响

对相同迎风面积、不同宽高比的二元高超声速进气道在设计马赫数6.0和非设计马赫数下的三维流场进行了数值模拟,研究了宽高比对进气道流场特征及性能参数的影响。结果表明,随着宽高比的增加,由于进气道长度和气流浸润面积的变化,内压段进口总压恢复系数、进气道流量系数和内部阻力系数逐渐降低;由于侧壁附近三维流动区域占整个流场的比例不同,当宽高比较小时,侧壁附近三维流动效应对进气道性能影响显著,进气道的总压恢复系数相对降低、增压比升高、温升比升高、出口马赫数降低,小宽高比进气道的低马赫数起动性能趋于恶化;设计马赫数下,宽高比的增加使二元高超声速进气道的反压承受能力降低。     

反压对隔离段激波串结构的影响

采用不同的无黏通量格式与湍流模型组合对轴对称圆截面隔离段进行了数值计算,选取与试验结果最匹配的组合研究隔离段在反压作用下的流场结构及参数特性.对不同反压下的独立隔离段模型和隔离段燃烧室模型进行了三维模拟,分析了隔离段反压比对其流场结构、出口参数及其中激波串形态的影响.针对该轴对称隔离段提出了其可承受的极限反压.比较了冷态均匀反压与燃烧诱导反压下的隔离段流场.结果表明:无黏通量格式与湍流模型的选择影响着激波串的形态和长度,对于隔离段数值模拟十分关键;隔离段出口参数受反压影响,出口处在激波串区域时,附近截面上静压分布的不均匀性较大,出口处在混合区时压力分布则相对更均匀,激波串发展程度影响隔离段出口压力均匀性;对于该圆截面隔离段及燃烧室,直接给定均匀的平面冷态反压所产生的激波串与燃烧反压下的激波串在结构形态和起始位置上未见明显差异.      

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。     

高超声速进气道隔离段反压的前传模式及最大工作反压

对均匀来流和有斜波入射(非均匀)情况下隔离段内流动进行了数值分析,发现反压增加首先在隔离段出口形成激波串,出口压力不断增加,而隔离段内流动没有变化;进一步增加反压,直到隔离段出口附面层开始分离时,激波串开始往隔离段内移动,壁面压力自激波串第一道激波位置开始逐渐增加;反压继续增加,激波串在隔离段内不断地向前移动。分析了隔离段内激波串的流动特征,发现激波串是由系列“斜激波 附面层分离 加速降压”流动组合而成,激波串后的流动为掺混流动(掺混区)。提出了最大工作反压的概念,当反压等于最大工作反压时,激波串位于隔离段出口,波后附面层开始分离,反压的任何增加,激波串就会往隔离段内移动;当反压小于或等于最大工作反压时,隔离段出口为超声速流动。研究还发现最大工作反压比由零反压时隔离段出口平均马赫数唯一确定,马赫数越大,最大工作反压比越大。最大工作反压比数值可用D.E.Nestler的拟合式来计算。     

周期节流扰动下激波串振荡流动的数值模拟

基于动网格方法数值模拟并分析来流马赫数为6,二元进气道/隔离段构型在频率为50～500 Hz周期节流下的激波串振荡流动。结果表明：当节流比在0.2～0.32范围内周期变化时,隔离段出现与节流频率相同的激波串振荡现象。节流频率会影响激波串振荡幅度和壁面压强波动特性。50 Hz与100 Hz工况的激波串流向振幅相近,100～500 Hz范围内随频率增加,流向振幅从15.5 mm减小至10.8 mm。壁面压强随频率的变化规律更加复杂,以凹腔中部为界,其上游壁面压强时均值、均方差峰值整体随频率增加而降低,其中50 Hz工况唇口侧壁面压强均方差峰值可达21倍来流静压,但其下游壁面压强无明显规律。分析表明节流频率对激波串振荡的影响与节流扰动的传播时间相关,工程设计中需综合考虑构型与反压参数对激波串振荡的影响。     

边界层抽吸和脉动反压作用下隔离段内流动特性研究

为了解上游边界层抽吸控制和下游周期脉动反压作用下隔离段内流动特性,采用非定常数值模拟和理论分析相结合的方法,对来流Ma=2情况下的隔离段内激波串动态演化特性、激波串形态结构变化以及激波串演化迟滞现象进行了研究。结果表明,在脉动反压和边界层抽吸作用下,激波串在上游抽吸狭缝与下游隔离段出口之间周期振荡,振荡频率与脉动反压一致。在振荡过程中,首道激波串形态在规则反射与马赫反射以及马赫反射与弧形激波(包含正激波)之间相互转换。边界层抽吸将激波串固定在抽吸狭缝位置,有效提高了隔离段抗反压性能,脉动频率越大,可承受的瞬态反压峰值越大。在一个振荡周期内,激波串向上移动速度较向下移动更快,且在上下移动过程中形态变化存在迟滞现象。     

带抽吸二元进气道/隔离段激波串振荡特性

针对抽吸缝作用下激波串非定常振荡的复杂流动问题,采用高速纹影结合壁面动态压力测量的方法,在马赫数6的激波风洞中研究了高马赫数二元进气道/隔离段中激波串的自激振荡特性。隔离段出口不同堵塞度的实验结果表明:在低堵塞度下,隔离段内的分离激波无明显振荡;在中等堵塞度25.3%～32.3%和高堵塞度35.3%～38.2%工况下,隔离段内产生非定常激波串,受到隔离段内预先存在的背景波系以及抽吸缝泄流作用的影响,分别出现大幅度低频振荡和小幅度高频振荡;而当堵塞度超过临界值后,激波串被推出进气道,出现不起动。在大幅度振荡模式中,上壁面大分离区周期性地形成和消失,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝后缘到隔离段出口之间大幅度振荡,其振荡主频约为280Hz～480Hz,并且随着堵塞度升高而降低;在小幅度振荡模式中,上壁面始终存在大分离区,下壁面的激波串前沿分离激波在抽吸缝附近小幅振荡,其振荡主频约为900Hz～1800Hz。两种振荡模式均给隔离段壁面带来严酷的脉动压力载荷。     

中心线偏置隔离段内激波串振荡特性

采用非定常数值方法研究了一种中心线偏置隔离段内的激波串振荡特性,分析了隔离段出口反压及管道扩张比对激波串振荡特性的影响规律.结果表明:出口总压最大值对应激波串前缘最小位移,出口总压最小值对应激波串前缘最大位移.在一定大小反压条件下隔离段内出现激波串的自激振荡,在较高反压条件下激波串稳定在管道内部.在来流马赫数为2.0条件下,中心线偏置隔离段较等直隔离段更易出现激波串自激振荡.在出现激波串自激振荡时,在同一反压条件下,大扩张比（如37%）隔离段流场的振荡主频、幅度和出口平均总压均小于小扩张比隔离段.      

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。     

类水滴进口高超声速内收缩进气道设计及数值研究

采用压升规律可控的轴对称基准流场,结合流线追踪及截面渐变等技术设计了类水滴进口转圆形出口高超内收缩进气道构型,在设计点和接力点进行了数值模拟,并和设计参数相同的矩形转圆形内收缩进气道进行了比较.结果表明:设计点和接力点两者总体性能相当,类水滴进口进气道出口流场较均匀,并且具有更好的起动性能.此外,类水滴进口的几何非对称性造成了进气道整个流场结构的非对称.      

高超声速巡航导弹乘波构型优化设计与性能分析

对锥导乘波构型在高超声速巡航导弹气动外形设计上的应用问题进行了研究.以乘波体上表面底部基线为参数化几何建模对象,运用正交试验设计方法,分析了不同设计参数对乘波体几何性能和气动性能的影响.采用回归分析法建立了乘波体容积率和升阻比与设计参数之间的非线性数学模型,然后应用多目标遗传算法对乘波构型进行了优化设计.将优化后的乘波体作为高超声速巡航导弹的初步外形并对其气动性能进行f数值模拟分析.结果表明:以锥导乘波体为基础生成的高超声速巡航导弹初步外形其有良好的几何性能和气动性能,容积率大于0.42,升阻比接近6;参数化设计方法可根据应用对象来方便地控制乘波体的外形尺寸,大大提高了乘波体的适用性;通过回归分析建立的数学模型准确性好,数值模拟精度高,这些方法可以用于高超声速巡航导弹的总体概念设计和初步设计.     

倒置梯形涡流发生器与非对称超声速来流相互作用的短隔离段流动数值研究

为了有效地缩短超燃冲压发动机隔离段长度,在前期研究的等宽度平直斜楔基础上,用数值模拟的方法,研究了一种侧壁面后掠的倒置梯形涡流发生器,涡流发生器放置在隔离段进口厚附面层一侧。研究结果表明:加装倒置梯形涡流发生器后可在进出口压比相同的情况下,将隔离段长度减小40%左右,比等宽度平直斜楔多缩短5%;激波串长度随后掠角呈非线性变化,在一适当的后掠角下,激波串长度最小,它的总压恢复系数与等宽度平直斜楔处于同等水平。     

不同飞行工况下的某高超飞行器流道特征及气动力特性研究

对一种类似于X-43A飞行器的一体化构形进行了全三维数值仿真模拟,将前体下表面侧沿程静压分布的计算结果与实验结果进行了对比,二者吻合较好,表明数值模拟方法正确,结果可信.在此基础上研究了不同飞行工况下飞行器流道特征及气动力特性的变化.研究结果表明:①研究范围内来流马赫数的变化对全流道的流动结构和全机气动力特性有着一定影响,使得飞行器全机的升阻比略有下降;②随着飞行攻角的改变,全流道的流动结构和升力系数变化显著,而阻力系数的变化并不明显;③侧滑角导致了不对称的流动结构,但在本文的研究范围内其进气道以及全机的气动特性的不利影响并不明显.      

不同攻角条件下偏转头弹箭流场与气动特性

基于DES（detached eddy simulation,分离涡模拟）方法及AUSM（advection upstream splitting method,对流迎风分裂方法）格式,对不同偏角的偏转头弹箭在非零攻角下的超声速流场和气动特性进行了数值模拟.结果表明:在非零攻角情况下,与常规弹箭流场相比,偏转头弹箭头部迎风面激波更强;而当有效入射角相等时,即使弹箭的攻角不一样,其头部流场结构仍相同,且尾翼流场基本不受头部偏角影响.另外,由气动力系数变化曲线可知,偏转头弹箭具有良好的纵向静稳定性,且升力系数随攻角的增长率大于阻力系数,即升阻比大于常规弹箭,因此适当增大攻角可以提高偏转头弹箭的气动特性.      

高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟

采用大涡模拟研究了出口堵塞比为50.8%的轴对称进气道流动,重点考察了内外流耦合作用下流动的非定常特性。采用国家数值风洞（NNW）工程仿真软件进行数值模拟,得到的壁面平均压力、瞬时压力分布与试验数据符合良好。分析表明：为匹配出口背压,进气道在喉道区域形成激波串结构,使内流道流场分为上游超声速区、中部激波串区以及下游亚声速区;在激波串区,剧烈的逆压梯度产生了分离激波、激波串、分离区及分离剪切层等复杂结构;伴随着激波串运动和边界层大尺度分离,进气道壁面压力出现宽频脉动特征。脉动压力的时空分布表明：内流道脉动压力以扰动波的形式传播,为此建立的声反馈模型能较好地预测亚声速区的主导频率。相关性分析表明：激波串运动受上下游流动耦合作用,其中,频率为St=0.7的运动主要受上游流动影响,频率为St=0.9的运动主要受下游压力扰动波影响。