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。     

壁面温度分布的高超声速平板边界层稳定性分析及转捩预测

针对来流马赫数为4.5、6.0和7.0的高超声速平板边界层,取30km高空处的气体参数,壁面为等温、绝热和温度分布等3种不同条件,采用eN方法进行转捩预测。其中,壁面温度分布条件下,在等温壁（冷壁）和绝热壁之间,给出4种流向分布进行分析。取扰动的初始幅值为0.3‰,以幅值达到1.5%作为转捩判断依据。结果表明:当温度为来流温度时,等温壁面条件的转捩位置最靠前,并随马赫数增大更加靠前;绝热壁面条件的转捩位置随马赫数增大而推后;壁面温度分布条件下,在相同时刻,马赫数越大,转捩位置越靠前。相同马赫数下,壁面温度较高者转捩位置较靠后（马赫数为7.0时,不完全满足此规律）。在马赫数为4.5和6.0时,绝热壁面条件转捩由第一模态主导,其余情况主导转捩的都是第二模态。     

曲外锥乘波前体进气道低马赫数段实验研究

为了研究新型一体化曲外锥乘波前体进气道在低马赫数端的自起动、抗反压特性及侧滑对性能的影响,基于几何约束及钝度修型的实用化风洞实验模型,采用进气道节流系统,在来流马赫数3.0、3.5和4.0,迎角-4°~6°范围内,不同堵锥位置状态下获得了一体化曲外锥乘波前体进气道的表面压力分布及流场高清纹影。实验结果表明,实验模型在来流马赫数3.5和4.0时具备自起动能力;在0°迎角,来流马赫数3.5和4.0,最大抗反压能力分别约为24和33倍来流压力;侧滑角对一体化曲外锥乘波前体进气道的流量捕获和流动压缩性能影响相对较弱。曲外锥乘波前体进气道具有同超燃冲压燃烧室、高超声速飞行器进行一体化设计的特性。     

侧壁约束效应对三维方腔自持振荡和噪声辐射影响的实验研究

实验研究了侧壁约束效应对三维方腔流动结构和噪声辐射特性的影响,固定方腔长深比为2∶1,使用麦克风阵列测量了方腔宽长比从0.1变化至0.5过程中流致噪声在不同指向性下的强度变化规律,并使用脉动压力传感器测量了不同宽长比方腔内部壁面压力分布,同时采用TR-PIV（Time-Resolved Particle Image Velocimetry）测量了方腔内流动结构的发展。实验结果表明:对于宽长比为0.5的方腔,当来流马赫数大于0.03时,方腔流动开始出现振荡并向上游辐射噪声;当来流马赫数增大至0.20时,方腔流动发展为对应Rossiter三阶模态的自持振荡,并辐射出尖频噪声。减小方腔宽度,当宽长比小于0.3时,方腔流动的自持振荡和尖频噪声被大幅度抑制甚至消除,来流马赫数为0.20和0.25时,方腔上游总声压级能够降低3 dB以上。通过对比壁面压力分布和PIV流场测量结果,发现减小方腔宽长比时,方腔内主回流涡向上游移动,涡强度降低,使得方腔的流动反馈不足以形成自持振荡,从而降低了辐射噪声。     

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。     

加热方式对煤油燃料超声速燃烧室性能影响

采用电阻加热燃烧室直连式试验台和甲烷燃烧加热燃烧室直连式试验台,开展了来流加热方式对煤油燃料超声速燃烧室燃烧性能的影响研究。在对比试验中,燃烧室入口纯净空气来流和污染空气来流均保持总温840K、总压820kPa和马赫数2.0的条件。利用高速摄像技术拍摄了煤油燃烧可见光图像,经分析处理得到了煤油燃烧火焰向主流的传播角度。对比试验结果显示:与电阻加热试验来流相比,甲烷燃烧加热来流的燃烧室壁面压力峰值下降了3.1%~6.9%,煤油燃烧可见光火焰向主流的传播角度缩小了7.1%~12.4%。     

一种小长高比组合发动机喷管气动设计及性能分析

在强几何约束条件下,对一种Ma=0~6.0的小长高比组合发动机喷管气动设计开展了初步研究。采用特征线法设计程序开展了喷管型线设计,并对设计点马赫数选取、三维侧向膨胀角、喷管双通道相对位置对喷管气动性能的影响开展了研究,给出了兼顾空间有效利用与喷管气动性能的喷管气动设计方案。数值模拟结果显示:降低设计点马赫数可以改善组合发动机喷管在低马赫数飞行时的性能,避免喷管出现严重过膨胀;喷管保持出口高度不变时,随着侧向膨胀角的増大,其高马赫数气动性能较优,而低马赫数气动性能下降严重。涡轮/冲压发动机喷管出口相对位置对并联布局组合发动机喷管转级点气动性能影响较大,且存在一个最佳位置布局,使得转级点达到最优的推力性能。获得的组合发动机喷管在设计马赫数下的推力系数约为0.920,模态转换过程流场平稳过渡,推力系数不低于0.918。     

跨声速空腔剪切层动态特征传播特性研究

开式空腔流动发生时,剪切层内旋涡运动与腔内前传声波相互作用,引发空腔自持振荡现象。针对长深比为7的开式空腔,采用脉动压力测试技术,在Ma=0.9来流条件下开展腔内剪切层动态特征试验研究,通过频谱分析和互相关分析,揭示剪切层动态特征发展机制和模态噪声传播规律。结果表明：剪切层内单调增大的宽频噪声和类余弦分布的模态噪声相互叠加,使剪切层整体动态特征呈波浪上升发展;模态噪声逆流向上行传播,其速度同样呈类余弦分布,变化趋势与模态噪声幅值保持一致。结合Rossiter模态预估理论发现：同频率的上行模态声波与下行旋涡相互作用,产生了类驻波现象,导致模态噪声功率谱密度和传播速度沿流向周期性变化。     

曲外锥乘波前体进气道流量测量及实验与仿真对比研究

流量捕获特性是高超声速进气道的重要特性。针对一体化曲外锥乘波前体进气道，开展了流量特性精细测量分析以及实验与仿真对比研究。采用节流实验系统，在来流马赫数3.0、3.5和4.0，迎角-4°至6°和不同进锥位置上，获得了该型前体进气道的流量特性，分析了流量测量均方根误差。开展了来流马赫数4.0、迎角-4°~6°条件下的实验与仿真对比研究。研究结果表明:一体化曲外锥乘波前体进气道构型具有良好的流动捕获能力，在来流马赫数3.5、4.0和6.0以及迎角0°条件下，流量系数分别为0.60、0.68和1.00；在节流实验系统充分壅塞的条件下，流量测量均方根误差在2%以内；仿真所获流量特性随迎角变化的线性度较好，和实验结果的吻合度较高。     

乙烯燃料超燃冲压发动机燃烧过程研究

在来流马赫数2.0的直连式燃烧设备上,研究了氢气引燃条件下带凹腔的超燃冲压发动机燃烧室内,从氢点火到氢与乙烯混合燃烧,再到乙烯单独燃烧的全过程的燃烧流动特性,通过纹影、火焰自发光、CH自发光以及OH-PLIF等手段瞬时同步研究了流场结构和火焰发展.先锋氢与乙烯的当量比分别约为0.33和0.10.整个燃烧过程分6个阶段,...     

并联式TBCC排气系统模态转换过程的流场特性研究

为了研究并联式TBCC（Turbine Based Combined Cycle）排气系统在模态转换过程中出口流场的变化特性及其气动性能的变化规律,采用动网格等技术完成了某并联式TBCC组合排气系统在整个模态转换过程中的非定常数值模拟。同时,对该排气系统模态转换过程中若干工况时的冷流进行了风洞试验,并将试验与数值仿真结果进行比较。研究结果表明:模态转换过程中,并联式TBCC排气系统出口流场的波系结构十分复杂,分流板出口激波对排气系统的气动性能产生了一定影响;TBCC排气系统的推力系数始终保持在0.9以上,但其产生的升力变化较大;风洞试验获得的壁面压力分布及流场纹影与数值模拟结果吻合较好,从而证明了本文数值模拟方法的可行性。     

倾转旋翼/机翼耦合系统过渡飞行瞬态响应分析

基于多体动力学方法建立倾转旋翼机过渡飞行瞬态响应分析模型,研究过渡飞行状态下倾转旋翼机非线性非定常气弹耦合动力学特性;通过引入倾转过程旋翼尾迹弯曲影响,修正直升机旋翼常规动态入流模型。集成非定常动态入流方程与倾转过渡飞行的多体动力学方程,建立倾转旋翼机过渡飞行状态下时域非定常耦合分析模型。以半展长弹性机翼全铰接式倾转旋翼机模型为例,分析倾转旋翼机倾转过渡飞行瞬态响应时间历程。数值计算表明:本文建立的时域模型能够快速有效分析倾转旋翼机在过渡飞行时的瞬态特性,能够反映倾转旋翼机旋翼/机翼间复杂的气弹耦合动力学关系。     

一种Ma0~4TBCC进气道气动设计及性能分析

从TBCC推进系统总体性能需求出发,给出了TBCC进气道捕获面积以及模态转换马赫数确定过程。在此基础上开展基于平动式模态转换装置的马赫数0~4内并联TBCC进气道气动方案设计,给出了进气道单自由度几何调节机构方案及其几何调节规律。通过对涡轮通道典型几何参数的规律化研究,结果表明:方转圆段几何长度、中心点y_m值以及面积变化规律对进气道出口总压恢复系数及马赫数影响较小,对进气道出口流场的均匀度影响较大;就研究的进气道而言,选取方转圆段几何长度为3m,中心控制点y_m=1.5,沿程截面面积变化规律为"先急后缓"的设计较为适宜;Ma=4.0时,设计的TBCC变几何进气道总压恢复系数为0.45,Ma=2.2时,总压恢复系数和畸变分别为0.79和0.15。     

旋翼/机翼转换式高速直升机RD15方案设计

首先对目前各种类型的高速直升机方案和提高前飞速度的新技术进行了综合比较和分析,在此基础上提出了一种旋翼/机翼转换式高速方案。然后,设计了高速直升机RD15的总体方案和直升机/飞机模式的转换过程。在该方案中,升力系统由盘翼和可收缩的桨叶组成;悬停和低速前飞时的控制采用单片桨叶控制技术;尾部采用矢量推力的涵道螺桨,不仅在悬停时提供方向控制,而且在飞机模式时提供高速前飞的推力和多种控制。最后,对此方案旋翼系统的气动特性和关键技术——直升机/飞机模式转换过程中盘翼的仰角、桨叶的长度、转速以及桨距等参数的变化进行了理论和试验研究,并建立了盘翼/旋翼系统的气动计算模型。计算和试验表明,该方案在直升机/飞机模式相互转化过程中升力、功率和操纵的改变能够实现平滑连续地过渡并保证操稳性。     

基于改进灰狼优化算法的涡扇发动机性能/喷流噪声综合优化控制研究

为保证整个飞行过程中满足噪声适航标准和飞行器的安全性,需要按照最严苛的噪声要求进行发动机设计,并留有很大的安全裕度,因而导致发动机的性能潜力未能得到发挥。本文对传统灰狼算法进行了改进,提出自适应概率变异策略,在优化过程中调整狩猎模式,提升了算法的全局搜索能力;基于该算法开展涡扇发动机性能/喷流噪声综合寻优控制研究,根据不同飞行需求对航空发动机性能进行优化,获得最佳控制量,在满足安全性和噪声指标的同时,提高发动机的性能。仿真结果表明,改进后的算法具有更好的全局寻优性能,最大推力模式下可提升推力13.45%,最小油耗模式可降低油耗3.19%,最低涡轮前温度模式可降低涡轮前温度2.07%。     

基于发展的PWM Switch模型的Buck/Boost双向直直变换器建模及分析

提出了双向功率流动场合的PWM Switch模型,同时选取典型的Buck/Boost双向变换器作为评估平台。小信号分析结果表明,Buck/Boost双向直直变换器通过仅控制Buck模式主控管可以对电池充放电模式进行切换。其提供了对变换器稳态及动态性能研究的一种快速仿真方法。基于改进PWM Switch模型及器件级电路的详尽仿真对比验证了模型的精确性。     

激波风洞超燃冲压发动机推力测量技术研究

为满足高马赫数超燃冲压发动机研制的需求,在激波风洞中开展了超燃冲压发动机推力测量技术研究工作,采用压电式推力测量天平测量了超燃冲压发动机模型上的推力。根据试验模型的受力特性进行了天平设计与校准研究,并在激波风洞中开展了验证性试验。在天平设计中,采用有限元力电耦合分析方法对天平性能进行了预估。分析结果表明:天平主分量的灵敏度可达到17.447 mV/N,一阶振动模态可达到1022.40 Hz。在验证试验中,分别测量了超燃冲压发动机模型在喷注和不喷注燃料条件下的推力。试验结果表明:在2种试验状态下,发动机阻力差值最大约220 N,说明设计的压电式推力测量天平可分辨出不同试验条件下作用在发动机上的推力大小。     

带喷流扰流片的火箭发动机推力特性分析

采用试验结合数值仿真手段,研究了位于火箭发动机拉瓦尔喷管出口处单片喷流扰流片相对喷管出口径向位置的变化对发动机轴向力和侧向力的影响。研究结果表明：随着喷管出口面积堵塞比的增加,发动机侧向力增大,轴向推力损失增加;发动机轴向推力损失约为侧向力的30%到50%。仿真分析表明：喷流扰流片在发动机喷管扩张段内造成超声速燃气的激波与边界层相互作用,喷管扩张段内壁面形成的非对称压力分布是发动机侧向力产生的基础;喷流扰流片造成的燃气激波和粘性损失是发动机轴向推力损失的根源。     

共轴倾转旋翼性能计算方法

共轴倾转旋翼飞行器是一款可折叠机翼的高速旋翼飞行器。本文建立了适用于共轴倾转旋翼飞行器直升机模式、倾转过渡模式和固定翼飞机模式的旋翼性能计算方法,并对比风洞试验数据验证了共轴倾转旋翼轴流状态的性能和共轴双旋翼前飞状态的性能。在此基础上,分析了共轴倾转旋翼在倾转过渡状态各性能参数的变化规律、上下旋翼诱导速度的分布情况、上下旋翼之间的干扰面积和干扰因子的变化趋势。结论表明:相同来流速度下,当倾转角增大,共轴倾转旋翼的拉力系数减小,功率系数先增大后减小,上下旋翼的受干扰面积和干扰因子均增大。