高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

进气道出口大畸变流场的模拟

提出了“大板结构”模拟板的概念,并用它成功地模拟了某飞行器进气道出口大畸变流场,其畸变值最大达DC_(90)=-1.118,表明采用“大板结构”模拟板可有效地模拟大畸变流场。同时给出了板前来流M数对板后流场总压损失、流场畸变及紊流度等参数的影响,为进一步开展进气道/发动机匹配研究,发动机抗畸变能力实验研究提供了手段。     

TBCC进气道变几何泄流腔研究

提出了一种用于内并联型涡轮基组合循环(TBCC)进气道全马赫数范围的可变几何泄流腔方案,给出了可变几何泄流腔的设计方法;研究了泄流腔及其几何特征参数对进气道流场特征和气动性能的影响,获得了几何特征参数对进气道气动性能的影响规律.最后,采用三维流场数值模拟手段,对泄流腔可变型面参数随飞行马赫数Ma₀的调节规律和进气道在全马赫数范围内的气动特性进行了研究,结果表明:泄流腔开启之后,随着Ma₀的增加,泄流腔进口宽度和喉道高度不断减小,且均呈前急后缓的减小趋势;在Ma₀≤2.0和Ma₀≥2.5时,泄流腔进口前角均随Ma₀的增加而减小;当Ma₀≤2.5时,进气道的总压恢复系数均在0.8以上,当2.5<Ma₀≤4.5时,进气道的总压恢复系数均在0.3以上,符合进气道总体方案的要求;冲压模态下,冲压通道的出口马赫数均小于0.4,出口静压均大于0.5个标准大气压(50.6625kPa),均能满足冲压燃烧室的燃烧需求.结合高速风洞试验研究结果,印证了可变几何泄流腔方案的可行性.      

碳/碳复合材料室温和700 ℃面内剪切疲劳试验

为了研究高温环境碳/碳复合材料面内剪切疲劳特性,以含防氧化涂层的[±45] 4S 铺层碳/碳复合材料为研究对象,开展了 室温和700 ℃下的拉/拉疲劳试验。结果表明：碳/碳复合材料面内剪切剩余刚度变化呈横向的“S”形,对比室温环境,在700 ℃下 碳/碳复合材料面内剪切疲劳在中期损伤时的刚度降低趋势更为明显,在室温时发生疲劳断裂的剩余刚度为初始刚度的82%,而 在700 ℃下则降低至初始刚度的68%;在室温环境下碳/碳复合材料在33%和66%循环数后的面内剪切剩余强度分别为初始强度 的95.20%和85.70%,当温度升高为700 ℃时,分别为96.43%和85.59%。基于损伤因子的刚度和强度表征,考虑温度、应力水平的 影响,建立了碳/碳复合材料剩余刚度、剩余强度模型,较好地拟合了试验数据,高精度地获得了室温和700 ℃下碳/碳复合材料面 内剪切疲劳剩余刚度、剩余强度理论曲线,为后续复杂碳/碳复合材料结构件疲劳寿命预测提供了重要数据。     

高超声速进气道辅助起动过程动态调控机理探索

研究了活门动态运动辅助进气道起动的过程。采用非定常模拟、动网格技术研究了旋转活门对二元高超声速进气道起动过程的影响,探索了在活门上开缝,利用活门前高速来流冲击的方法来抑制分离区的发展。结果表明,Ma∞=4时,活门辅助起动效果不理想,动态运动过程中进气道始终不起动;Ma_∞=5时,初始状态中,进气道内建立起超声速流场,活门贴壁的最终状态虽然内收缩段存在分离区,但是进气道成功起动。同时发现,活门后分离区是导致进气道不起动的主要因素。在铰接点处开缝时,可以有效抑制分离区,保证进气道起动。     

展向截断曲面乘波压缩进气道气动布局

描述了所设计的展向截断曲面乘波压缩进气道.其特点是采用曲面乘波压缩前体,前体进气道压缩面基准流场由等熵压缩波轴对称流场组成,三维乘波面采用密切曲锥方法由前缘线各点流线跟踪拟合构成流面.乘波面根据飞行器和发动机的宽度要求进行了截断.数值计算和风洞试验结果表明:与相同几何收缩比的四波系压缩进气道相比,在马赫数为4.5时,曲面乘波压缩进气道流量系数提高12%,总压恢复系数提高39%;在马赫数为6时,曲面乘波压缩进气道流量系数提高4%,总压恢复系数提高50%.超然冲压发动机性能明显提高.      

机体对超音速进气道性能的影响

提供的结果来自飞机进气道的设计和性能研究,分析所用的数据来源于进气道模型风洞实验和CFD数值模拟。通过对进气道在机身两侧、翼下、机身下等布局的进气道性能对比,评估了机体对进气道的干扰影响。借助于数值模拟技术,得出进气道进口前流场特性。通过对进气道出口总压的测量和进气道进口波系及喉道处流动的数值模拟计算,归纳出进气道出口平均总压恢复系数和图谱的趋势。     

二维进气道不启动流场非定常特性的混合LES/RANS模拟

采用一种混合大涡模拟/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)方程模拟方法结合5阶WENO(weighted essentially non-oscillatory)格式对马赫数为3的来流中、内收缩比为1.5的不启动状态下的二维进气道进行了计算,再现了不启动进气道中的非定常流场.计算结果表明:所采用的模拟方法对入口处的平均绝热壁温、摩擦速度和雷诺应力的计算精度较好,进气道不启动流场中激波波系和分离区存在大时空尺度的低频运动,其占主导的特征频率和典型的激波/湍流边界层干扰问题中激波和分离区的低频频率接近,且进气道出现了间歇性的启动状态.      

二元混压式进气道窄缝形射流调节结构参数设计

针对窄缝形主动射流用于二元混压式超声速进气道再起动特性调节的结构参数设计,开展了大量定常数值模拟研究,得到了窄缝位置、宽度及喷射角度等结构参数对再起动特性的影响趋势,利用少量非定常算例验证了定常计算结果的准确性.结果表明:射流的注入使进气道产生超声速溢流,并出现可动气动喉道等新的再起动流场特征.约进气道流量1%的射流流量能产生约5%的溢流量,在溢流作用下,4.5%~11%的射流流量使进气道实现了再起动,射流流量越大,射流分离区也越大,进气道越难实现再起动.研究还发现:窄缝位置及宽度对射流溢流效率的影响很小,但窄缝位置存在一个有效作用范围,只有在距唇口35~65mm的位置注入射流,进气道才能实现再起动.射流喷射角对射流溢流效率的影响较大.射流喷射角越大,射流的溢流效率越高,再起动所需的射流流量及其范围也越小.      

针刺C/C圆筒构件内/外压试验与仿真研究

根据某扩张段采用的针刺C/C复合材料制备圆筒构件试验件,设计外压和内压试验工装,对其开展内外压试验研究,总结结构应力分布规律,并与有限元仿真结果进行对比,仿真结果与试验结果一致性较好,获得了准确高精度3D圆筒构件水压仿真计算模型。试验及仿真结果对于改进固体火箭发动机针刺C/C复合材料喷管扩张段结构设计,修正材料本构模型参数,预估结构安全裕度有着重要的参考价值。