高超声速乘波体飞行器机身/发动机一体化关键技术研究

飞行器在高空中作长时间巡航飞行时,对升阻比提出了极高要求,而高超声速乘波飞行器因其具有高升阻比、均匀的下表面流场以及高度一体化性能得到研究者重视,成为未来空间飞行器新的研究热点.简要介绍了高超声速秉波体飞行器机身/发动机一体化国内外研究进展,着重阐述了其关键技术及其研究,主要包括前体/进气道一体化技术、燃烧室构型优化技术和尾喷管/后体一体化技术,并对未来高超声速秉波体飞行器构型的进一步发展提出了设想--采用流线追踪思想,以Busemann进气道和圆形或椭圆形燃烧室作为其推进系统的两大重要组成部分,同时其机身具有膨胀上表面.     

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。     

微涡喷发动机主轴内冷通道传热数值研究

对推力为100N,转速为1×105r/min的微型涡喷发动机BUAA100的特点进行了介绍,然后对该发动机的主轴内冷通道基于Navier-Stokes方程和能量方程建立了计算模型,采用迭代法解决了前螺母简易离心泵进口边界条件和通道下游边界流动、换热相互耦合的问题,进行了数值模拟研究.给出的主轴内冷通道、简易离心泵创新设计方案和数值研究方法,可供其它微发研究参考.     

“咽”式高超进气道流动特性及性能分析

采用数值模拟的方法比较分析了一种矩形型面的内收缩进气道和一种椭圆型面的"咽"式进气道的流动特性和性能.这两种内收缩进气道都是以四道平面斜激波三维流场为基本流场,利用流线追踪技术得到的.研究结果表明,该"咽"式进气道对设计状态下的攻角变化不太敏感;在非设计状态下具有较高的流量捕获和压缩能力;另外,由于其浸湿面积小,进气道内附面层增长缓慢,激波与附面层干扰较弱.因此,这种"咽"式流道可作为吸气式高超声速飞行器进气道的一个有利选择方案.      

双下侧定几何二元混压式超声速进气道的风洞试验

 针对一种应用于导弹上的冲压发动机用双下侧布局二元混压式超声速进气道气动特性开展了高速风洞试验研究。研究结果表明,随着反压比的提高,进气道总压恢复系数提高,临界状态后结尾激波系能停留在收缩通道内,在稳定亚临界状态下进气道总压恢复系数最高,但流量系数略有降低;随着来流马赫数的增大,进气道总压恢复系数下降,流量系数在小于设计马赫数下逐渐提高,激波贴口后流量系数基本不变;随着迎角的增大,进气道的总压恢复系数和流量系数随之提高,在Ma＝2.5,侧滑角β＝0°,迎角α增大到6°时进气道出现流量堵塞现象,性能降低;随着侧滑角的增大,两个进气道的性能均下降,迎风侧进气道相对背风侧进气道下降更厉害,在Ma＝2.5,α＝2°,β＝2°时背风侧进气道出现流量堵塞,性能降低;小角度滚转对进气道性能影响不大。     

攻角动态变化的侧压式进气道风洞实验

在Ma=3.85的风洞中,对一个设计Ma=6起动Ma=2.5的侧压式进气道完成了攻角从0°→8°→0°的连续吹风实验.实验结果表明:0°攻角时进气道顺利起动,当攻角增大到5.7°时,进气道出现不起动;之后在8°到0°的变化过程中,在5.4°时又恢复了起动.另外,随着攻角的增加,流量系数在起动状态下缓慢减小,在不起动状态下急剧减小.实验中还进行了攻角0°→4°→0°的动态连续吹风实验,进气道全程都处于起动状态.      

出/入口面积相等的收缩-扩张孔气膜冷却特性

采用一种可进行全表面测量的瞬态液晶测量技术测量了一种出口面积与入口面积相等的收缩扩张形孔的气膜冷却特性,研究了动量比(0.5,1,2,4)的影响,并与传统的出口面积小于入口面积的收缩扩张形孔的气膜冷却特性进行了对比。结果表明:收缩扩张形孔射流均完全覆盖了孔下游壁面,射流的交汇以及对涡结构使得孔中心线附近区域的冷却效率较低,而孔间区域的冷却效率较高。在上游区域,孔间区域的换热系数比相对孔中心线附近区域的较高,而在下游区域,对涡结构又使得孔间区域的换热系数比相对较低。出口-入口面积比不同的两种收缩扩张形孔的冷却效率分布规律和换热系数比分布规律都比较相似,但出口-入口面积比为1的收缩扩张形孔的冷却效率以及上游区域的换热系数比的数值都相对较低。而且出口-入口面积比为1的收缩扩张形孔的流量系数明显高于出口-入口面积比小于1的收缩扩张形孔。     

二元高超声速进气道内压缩通道/隔离段曲面构型

对于二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段设计,提出了进气道下壁弧形曲面构型方案。在一系列不同收缩比、不同波系配置的平面构型进气道基础上,通过基于N-S方程的数值模拟研究了不同半径的弧形过渡曲面对进气道性能的影响。发现采用弧形曲面过渡可以削弱平面构型方案对气流不必要的膨胀,减小隔离段进口处上侧壁面高压,改善隔离段进口气流均匀性。新构型有助于降低起动马赫数,且弧形过渡半径越大,收缩比越大,降低的程度越明显;还可以大大提高进气道的总压恢复,无须最后一道内压激波打在下壁面肩点上即可获得较高的性能。     

层板内冷通道辐射换热影响

分析了层板换热过程,使用了"去除复杂表面"和"无限大平板" 等假设,给出了该假设下层板内腔辐射换热计算公式.又以一特定几何结构的层板模型为例,使用了3维流体力学计算程序求解了流-固耦合情况下的层板内部换热过程,研究了其在4种航空发动机典型工作状态下,内冷通道中的对流和辐射换热情况,得到了辐射与对流换热强度之比θ随冷气入口Re数和燃气加热功率的变化曲线,并对该曲线进行了指数拟合.建立了一套快速简捷计算层板内腔辐射状况的方法,为层板内腔换热研究是否应该忽略辐射,以及对层板冷却效果的修正,提供了一定的判断和计算依据.      

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.