设计参数及附面层修正对“咽”式进气道性能的影响

为了研究不同的平面斜激波流场对流线追踪"咽"式进气道性能的影响规律,寻求性能最佳的进气道,对设计马赫数为7,具有不同三维基本流场的流线追踪"咽"式进气道进行了数值模拟。研究表明:选择8-7无粘流场(即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生)作为基本流场设计出的流线追踪进气道压缩性能、总压恢复性能及起动性能均能满足设计要求,并有较高的捕获流量;另外,通过对其进行附面层修正,设计状态下的各性能参数都较接近无粘设计参数,并且大幅度提高了进气道的流场均匀性。     

二维高超声速压缩面斜激波系的优化配置

选择进气道外压缩段的气流转折角为设计变量,以进气道的压升比为约束条件,分别以总压恢复系数和阻力系数为优化目标,基于一维气体动力学,在飞行马赫数6,飞行高度25 km,进气道出口气流方向与自由来流夹角等于0,°2,°4°和6°的条件下,对二维混压式高超声速进气道进行了优化设计,得到了优化的斜激波配置。优化结果表明,在所讨论的各种情况下,以阻力系数最小为目标得到的外压缩段斜激波系与以总压恢复系数最大为目标得到的外压缩段斜激波系基本相同,都近似为等强度斜激波系。运用数值模拟手段验证了等强度斜激波系配置原则,本文提供的方法可以用于二维混压式高超声速进气道的初步设计。     

高超二元曲面压缩进气道前缘激波特性分析

不同的二元进气道前缘激波压缩方式直接影响进气道性能参数,尤其是流量系数。详细分析研究了两种类型的高超二元曲面压缩进气道前缘激波随攻角和来流马赫数变化的特性。计算结果显示,对于初始楔加等熵压缩的二元曲面进气道,在给定的初始楔角下,随着进气道攻角的增大前缘激波与压缩面之间的夹角先减小后增大,随着来流马赫数的增大,前缘激波与压缩面之间的夹角减小;而对于等压力梯度分布控制的弯曲激波压缩二元曲面进气道,随着进气道攻角或来流马赫数的增加,前缘激波与压缩面间的夹角都增大。通过理论和计算分析表明,是斜激波与马赫波不同的相交模式造成了两种曲面压缩进气道的前缘激波随进气道攻角和来流马赫数变化的特性不同。      

一种二元进气道起动特性的数值与实验考察

采用Spalart-Allmaras湍流模型对来流马赫数变化引起的二元高超声速进气道模型的起动特性进行了三维数值模拟,并在来流马赫数5.5和5.9两种工况进行了激波风洞实验验证。结果表明,进气道不起动时,模型侧板上的流动分离与外压缩面上的流动分离相融合,堵塞了进气道入口,三维流动特征显著。在预报进气道自起动和不起动时,应当考虑三维流动效应。逐步增大来流马赫数和逐步减小来流马赫数两种路径下,进气道存在起动迟滞现象。对于本文的进气道模型,当内收缩比增大0.2时,自起动马赫数约升高1,不起动马赫数约升高0.5,进气道的起动迟滞环变大,起动性能下降。在激波风洞中获得的进气道自起动以及起动/不起动双解区的实验结果与数值模拟相符合。     

攻角与马赫数对进气道起动影响的可比拟性

针对高速风洞变来流马赫数的能力有限,不易获得高超声速进气道起动马赫数界限的问题,本文尝试通过改变进气道模型攻角的方法来模拟来流马赫数的变化,分析定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下二元进气道起动性能之间的关系,以助于风洞实验获得进气道的起动马赫数界限。结果表明,在Ma∞=5.9来流条件下,进气道不起动和自起动的临界攻角分别在12°~13°和0°~1°。定来流马赫数变攻角与定攻角变来流马赫数两种途径下,进气道不起动和自起动临界所对应的内收缩段入口马赫数基本一致。对于同一内收缩段入口马赫数,当变攻角跨度小于4°时,两种路径下进气道的内部流场与壁面压力分布规律符合较好;当变攻角跨度较大时,两者的差别也增大。对于二元高超声速进气道模型,当常规风洞的来流马赫数在进气道起动边界附近时,在一定的攻角范围内,可以尝试通过攻角机构连续改变模型安装攻角的办法来模拟变马赫数引起的进气道起动特性的演变过程。     

一种高超声速进气道起动/再起动的数值研究

对一种定几何轴对称高超声速进气道的起动过程、来流马赫数引起的不起动和再起动过程的非定常流态进行了数值研究,分析了唇罩侧板后掠对进气道起动/再起动性能的影响.结果表明:唇罩侧板后掠形成了横向溢流,缓解了捕获流量和进气道流通能力之间的矛盾,从而改善了进气道的起动/再起动性能;内收缩段内的激波与边界层的干扰较强,成为进气道起动的瓶颈.      

乘波体构型飞行器的高超声速测压实验研究

乘波体构型是高超声速飞行器的重要气动布局之一。对某多目标优化设计的乘波体构型飞行器进行了高超声速测压实验,对其气动性能进行风洞实验验证。实验马赫数M=6和M=7,迎角α=-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°。结果表明：该乘波体构型各部件气动性能良好。进气道唇口准确捕捉到压缩激波,激波位置与设计吻合。乘波体上表面流向压力变化不大,有利于减小乘波体飞行阻力。下表面经过进气口内压段时压力有明显的增大,后体膨胀效果显著。在设计状态下,该乘波体飞行器整体气动性能良好。     

二维超／高超声速进气道流场数值模拟

对超／高超声速三级压缩进气道流场进行了数值模拟,来流马赫数为4、6,进气道内流动为层流状态,根据二维Navier-Stokes方程,采用二阶精度Roe格式进行离散。按照流场特点,合理地设计网格分布及调整不同黏性范围的熵修正,防止了壁面附近过大的数值耗散,使计算结果更加合理。在进气道模型的各级压缩折转角处,获得了清晰的激波结构,在进气道内部的各种波系的相交、反射和激波诱导的边界层分离等现象都得到合理的描述。计算得到的压力分布,在各级压缩斜板上同简单波理论结果十分接近。用本文方法计算了另一个二级压缩进气道,沿上、下壁面的压力分布与试验比较符合得较好。     

高超飞行器进气道/内流道流动特性试验

用Ma∞=7风洞试验的方法研究了一种吸气式高超声速飞行器二维进气道/内流道的流场特征与起动特性.试验结果表明:在来流总压0.5～1.9 MPa、单位雷诺数2.48×106～7>.95×106范围内,进气道起动的前提下,进气道/内流道沿程压力分布受来流总压、雷诺数的影响变化很小;在进气道外压缩段流动未受干扰前进气道隔离段最大可承受反压约为250倍自由来流压力;未加侧板时该进气道具有自起动能力,加侧板后隔离段出口压力有所增加;在设计点工况,该进气道增压比42.9,总压恢复0.27,出口马赫数2.76.      

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。     

高超音速进气道的附面层问题

本文论述了高超音速进气道所面临的严重附层面问题,高超音速附面层的特点,高超音速附面层对进气道性能的影响,影响附面层转捩和厚度的诸因素.对如何控制和改善附面层及在设计高超音速进气道时如何考虑附面层因素,亦提出了一些初步看法.     

类X-47狭缝式进气道的流动特征与工作性能

对一种背部安装的狭缝式进气道进行了设计和仿真研究,获得了该类进气道的流动特征和工作特性。结果表明,由于存在剧烈的通道弯曲和宽度收缩,进气道的内部流动较为恶劣,边界层气流在通道的上方和下方两侧堆积,并在扩压器后段的上部出现了分离。当自由流马赫数为0.70、迎角为0°时,进气道出口截面的总压恢复系数为0.975,总压畸变指数则达0.484。另外,进气道前方的大鼓包未能起到有效排除前体边界层气流的效果,而正迎角下前体侧棱产生的前缘涡则能将前体边界层扫向机体的两侧,有效减少了进入内通道的低能气流,对出口截面下方两侧的低总压区起着抑制作用。本文的工作还为狭缝式进气道的改进设计提供了依据。     

类X-47狭缝式进气道的流动特征与工作性能

对一种背部安装的狭缝式进气道进行了设计和仿真研究,获得了该类进气道的流动特征和工作特性.结果表明,由于存在剧烈的通道弯曲和宽度收缩,进气道的内部流动较为恶劣,边界层气流在通道的上方和下方两侧堆积,并在扩压器后段的上部出现了分离.当自由流马赫数为0.70、迎角为0.时,进气道出口截面的总压恢复系数为0.975,总压畸变指数则达0.484.另外,进气道前方的大鼓包未能起到有效排除前体边界层气流的效果,而正迎角下前体侧棱产生的前缘涡则能将前体边界层扫向机体的两侧,有效减少了进入内通道的低能气流,对出口截面下方两侧的低总压区起着抑制作用.本文的工作还为狭缝式进气道的改进设计提供了依据.     

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。     

高超弯曲激波二维进气道初步研究

研究了一种压升规律的曲面压缩面,设计了高超弯曲激波二维进气道,并用数值模拟手段对该进气道和同等条件下的常规高超二维三楔进气道、楔+等熵进气道的性能进行了比较.数值模拟表明:通过给定合理压缩面压升规律来设计压缩面并改善压缩面附面层稳定性是可行的,弯曲激波二维进气道的长度比同等条件下的常规二维三楔、楔+等熵进气道分别缩短12%和10%,并且对来流 Ma 变化不敏感,综合性能优势明显、应用前景大.      

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。     

弹用“X”,型倒置二元进气道方案与常规正置方案的气动性能对比

为提高来流马赫数范围为2~4的“X”型进气系统大攻角下的稳定裕度,设计并研究了一种倒置二元进气道设计方案,并将其与正置方案进行了比较。结果表明:来流马赫数为2.3~3.5,攻角范围为0°~6°时,倒置布局设计方案总体性能较优,未出现明显激波/附面层干扰问题,能够满足设计要求。在采用相同的进气道设计方案时,倒置布局其迎风与背风进气道结尾激波位置及总体性能参数差异更小;0°攻角时倒置布局临界总压恢复系数与正置布局相当,4°攻角时倒置布局比正置布局高2%~3%,8°攻角时普遍高19%以上,且来流马赫数越高提升幅度越明显,8°攻角下倒置布局总流量系数较正置布局高6%左右。研究还发现,当来流马赫数较低时倒置布局总阻力低于正置布局, 4°攻角时低1.7%;而来流马赫数较高时倒置布局总阻力高于正置布局,4°攻角时高2.0%。      

一种新型内乘波式进气道初步研究

提出了内乘波式进气道的设计概念。该进气道以内收缩锥轴对称流场为基础，采用流线追踪技术并截取激波面生成。它具有设计状态流量捕获能力强；三维压缩效率高；波系结构简单且无复杂角部流动，流动损失小等特点。采用该概念设计了来流马赫数6的内乘波式进气道，CFD计算结果显示：粘性对该类进气道设计具有较大影响，附面层的发展会使按无粘条件设计的进气道性能有所下降。尽管还没有进行粘性修正，在相同设计马赫数条件下，内乘波式进气道压比、流量系数和总压恢复系数等性能高于某典型侧压式进气道。     

基于壁面马赫数梯度的高超声速弯曲激波二维进气道数值研究

研究了一种壁面马赫数(Ma)呈线性分布规律的曲面压缩面,以此设计了高超声速弯曲激波二维进气道,并与同等条件下常规三楔压缩二维进气道进行了比较.数值研究结果表明:根据给定的壁面 Ma 线性分布规律和压缩面增压比,通过有旋特征线理论来设计压缩面的方法是可行的;与常规三楔压缩相比,此方法能改善压缩面附面层的稳定性,能有效缩短外压缩段的长度,并且其性能参数对来流 Ma 变化影响不敏感,特别是非设计状态下性能优势尤为突出.在接力点 Ma 下其流量系数达到0.783,比常规三楔压缩二维进气道提高13.2%,同时喉道截面总压恢复系数也提高4.5%.