宽高比对侧板前掠二维高超声速进气道启动特性影响研究

在总收缩比和内收缩比一定的前提下,对不同宽高比的侧板前掠高超声速进气道启动过程进行了研究,总结了宽高比对这类构型进气道启动性能的影响规律,对比了不同宽高比构型启动过程的差异,分析了造成这些差异的流动机理。结果表明:宽高比对侧板前掠二维进气道的启动马赫数有显著影响,宽高比3.0,4.5,6.0的进气道启动马赫数分别为3.5,3.9,4.6。不同宽高比不启动状态的共同特征,是内收缩段底板附近存在大规模流动分离,分离形成的溢流主要通过前掠侧板形成溢流窗口进行横向溢流,横向溢流对分离区流场结构有重要影响。在启动过程中,宽高比通过影响不启动状态分离区的展向尺度,影响了横向溢流对分离区排移效果,从而影响了进气道的启动性能。     

二维高超声速进气道加速启动过程数值研究

为深入了解大规模分离区在进气道启动过程中的变化规律、影响因素及自持机理,针对简化的二维高超声速进气道加速启动过程进行了数值研究,对比了不同唇口角构型的启动性能、启动过程和分离区变化规律,分析了其中的流动机理。结果表明:(1)上壁面单侧压缩的二维进气道启动性能受唇口角影响显著,随着唇口角从0°增加到12°,启动马赫数呈现先减小后增加的趋势,4°时启动马赫数最小。(2)不同唇口角构型不启动状态都存在大规模分离区,分离区的前半部分接近一致,后半部分差异明显。(3)在加速启动过程中,分离区主要依靠分离激波在上壁面的反射激波维持自身的存在,不同的唇口角构型在相同来流马赫数下分离激波在上壁面的反射激波强度不同,这影响了分离区的自持能力,从而影响了启动性能。     

来流参数对混合管道流场结构的影响

为了探究来流参数对混合管道流场结构的影响,通过试验和数值计算方法研究了在不同马赫数、静压来流参数条件下的背景流场和激波串流场结构。试验采用高速纹影和压力测量设备分别进行流场的观察和测量,采用喷管支板结构将来流分为上侧二次流、一次流和下侧二次流。试验与数值结果均表明,背景流场中的背景波系、混合层均由支板后缘处产生,背景波系在壁面间反射并与混合层发生干扰作用,背景流场结构较为复杂。一、二次流的静压关系影响混合层的初始发展方向,导致θ从-9°～7°变化,而马赫数决定起始激波与混合层的夹角。依据前缘激波的反射类型、亚声速区面积等特征,混合管道的激波串流场可以分为规则反射型、临界反射型、正向马赫反射型和反向马赫反射型四种典型结构。临界反射型的波后流场在垂直流动方向上具有"亚-超-亚-超"间隔流动的特点。     

超声速边界层抽吸孔隙内流场结构分类

由于流体处于超声速和亚声速状态时,其性能有着显著的差异,这种现象同样存在于超声速边界层抽吸孔隙内。为了对超声速边界层抽吸孔隙内流场结构进行分类,主要通过数值计算的方法,对超声速边界层抽吸孔隙内流体的流动状态以及不同流动状态时抽吸孔隙内流场结构对抽吸腔反压的响应特点进行了研究,同时也对数值计算方法做了试验验证。数值计算采用基于有限体积法的二阶迎风格式来离散二维可压N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型,通过改变抽吸槽宽度D的方法来实现抽吸槽内流体处于不同的流动状态。根据抽吸槽内流体的流动状态的不同,将超声速边界层抽吸分为亚声速型,临界声速型和超声速型。分别对不同抽吸腔反压时三种抽吸类型流场结构变化特点以及声速流量系数Q变化特点进行了分析,发现不同抽吸类型对抽吸腔反压的响应规律存在显著差异。当δ/D8.6时,即对于亚声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而线性增加,且Q随p_c/p_0减小而减小。当δ/D8.6时,即对于超声速型抽吸而言,Q随δ/D减小而迅速增加。另外,随p_c/p_0增加,Q先保持不变,当p_c/p_0增加到0.225时,Q开始减小,并且当p_c/p_0增加至0.675后,Q减小速率发生了突变。分析原因在于超声速型抽吸,抽吸腔反压向抽吸槽内的传递受到抽吸槽内分离区以及激波的阻碍,而对于亚声速型抽吸,抽吸腔反压能够直接传递至抽吸槽内,进而影响边界层抽吸。     

弯曲变截面隔离段参数化设计与优化

为了提高弯曲变截面隔离段的气动性能,发展了基于几何融合的参数化设计与优化方法。为了丰富几何融合方法产生构型的种类,提出了基于几何长度的新型离散化方法。为满足偏置要求及灵活性要求,中心线设计时选用了B样条曲线。利用优化软件Isight内置全局算法,针对某隔离段,以弯曲隔离段出口的总压恢复系数为目标进行了优化求解。结果表明:优化构型相对于原始构型,在给定相同来流入口情况下总压恢复系数提高了12.3%。     

RBCC混合室激波串前传运动研究

RBCC中火箭出口流动和冲压流道的空气在发动机混合室中相互作用,形成激波-边界层、激波-混合层等多种干扰耦合的复杂背景流场。为了深入研究发动机工作室混合室内激波串的运动规律,采用非定常数值计算的方法对激波串在混合室中的前传过程进行了研究。计算结果表明,随着反压的升高,激波串的前传过程包含4个运动周期,每个运动周期中均包含缓慢前传和"突跃"前传两种运动模式;激波串结构呈现"弹簧"的特点,在第二运动周期中,激波串前缘的流向长度在16.5mm～21mm周期性变化。进一步分析发现,背景波系在壁面产生的逆压梯度是"突跃"运动产生的主要原因,且"突跃"前传的距离和逆压梯度峰值成正相关;激波串前缘分离激波和反射激波强度的变化引起了激波串前缘激波形态的周期性变化,进而导致激波串在前传运动中呈现类似"弹簧"的伸缩特点。     

多目标考虑下高超声速进气道唇口角参数化设计与分析

以二维轴对称高超声速进气道为研究对象,研究唇口角对进气道总压恢复性能、阻力性能和起动性能的影响,开展多目标考虑下唇口角设计。首先,采用三阶准均匀B样条对唇罩进行参数化设计,获得具有不同唇口角的进气道构型。然后基于数值仿真方法研究唇口角对进气道总压恢复性能、阻力性能和起动性能的影响。结果表明,存在一个最佳唇口角使进气道总压恢复性能最佳。分析发现唇口角过小时入口处会形成强烈唇口激波,唇口角过大时内收缩段会形成汇聚激波,二者均会造成严重总压损失。在阻力性能研究中发现通过减小唇口角,可有效减小内外唇罩阻力,但压缩侧壁面阻力因唇口激波强度增加而增大,在三者共同作用下进气道总阻力随唇口角增大表现出先减小后增大的规律。在唇口角对起动性能的影响研究中同样发现存在一个最佳唇口角使进气道起动性能最佳。唇口角过小时大尺度分离区难以被吞入,唇口角过大时分离区在内收缩段形成稳定驻留,两者均不利于进气道起动。最后,分析了不同内收缩比下进气道唇口角对总压恢复性能、阻力性能和起动性能的影响,并对多目标考虑下最优唇口角设计展开研究。结果表明使总压恢复性能、阻力性能和起动性能分别最佳的唇口角并不重合,但总体而言三者相差不...     

开启式高超声速进气道启动性能试验

设计了具有入口开启功能的高超声速进气道,并在Ma=6连续式自由射流风洞中进行了启动性能的试验研究.通过对进气道壁面静压变化和捕获流量的测量,验证了此种具有开启功能的变几何方案的可行性.试验结果表明,开启机构能够有效地提高进气道的启动性能.分析认为,进气道入口的逐渐打开过程辅助进气道建立起超声速流场.同时,开启机构避免了进气道自启动的迟滞效应,使进气道实现启动.      

吸气式高速飞行器一体化方案：回顾与展望

通过梳理吸气式高速飞行器一体化发展脉络，回顾和分析了技术验证、实用化和未来重复使用阶段飞行器一体化方案的主要研究内容和关键进展。在技术验证阶段，设计者针对轴对称构型和升力体构型提出多种一体化方案及对应设计方法，有力支撑了高速飞行技术验证，丰富了一体化设计理论。在实用化阶段，高速飞行技术工程应用对一体化提出严苛的约束，一体化主要解决流量捕获、设备装载和升阻比之间的矛盾，逐渐形成腹部进气布局一体化方案。针对未来重复使用飞行器，更多样的动力模式、更复杂的气动外形对一体化设计提出更高要求，高效、宽范围的动力系统、高度一体化的翼身融合构型、更优的进气布局方案是吸气式高速飞行器一体化设计的重要发展方向。