隔离段抽吸引起的激波迟滞现象研究

为了研究壁面抽吸条件下隔离段流动迟滞现象,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,模拟反压升高再降低过程,对隔离段的激波形态进行了研究。基于Zhukoski提出的中等雷诺数下(3×10~4Re_δ1.2×10~6)分离区压力与马赫数的量化关系,发展了无控制措施条件下激波串首道激波的理论模型,发现来流马赫数大于2.0时激波串首道激波反射类型为规则反射,且不会出现激波反射迟滞现象。而壁面抽吸使首道激波固定在抽吸缝位置,导致激波串首道激波强度随反压升高不断增强,边界层分离角和激波角不断增大,从而进入Von Neumann准则的双解区甚至马赫反射区,在升高及降低反压的过程中隔离段出现流动迟滞现象。研究结果进一步揭示了壁面抽吸引起的流动迟滞现象不仅包含常规RR?MR激波反射迟滞,而且包含了一种新的迟滞现象——边界层分离迟滞。     

美国高超声速涡轮基组合循环发动机的进展及分析

旨在为未来空天动力技术研究和产品研制提供参考与借鉴。综述了美国高超声速涡轮基组合循环(TBCC)发动机的进展,重点对与涡轮发动机有关的预研计划进行详细描述,如国家空天飞机(NASP)计划、高速推进评估(Hi SPA)计划、猎鹰组合循环发动机试验(Fa CET)计划等。总结与归纳了TBCC发动机的研究发展的特点:TBCC发动机一直是高超声速飞行器研究的关键技术;目前涡轮发动机的首选是现有涡轮发动机改进,未来可能选择正在预研的高速涡轮发动机或自适应发动机;冲压发动机和模态转换技术已经取得明显进展,但还需长期深入验证。     

隔板型式对旋转冲压压缩转子性能的影响

为了改善旋转冲压压缩转子的总体性能,通过改变隔板前、后段的型式获得不同的隔板改型方案,并利用FLUENT流体计算软件对采用不同隔板改型方案的旋转冲压压缩转子进行了数值研究。结果表明,改变隔板前段型式可以改变隔板前缘激波和进气流量,进而影响旋转冲压压缩转子的总体性能;改变隔板后段型式,可以改变旋转冲压压缩转子的流场结构,并影响其增压能力;融合隔板前、后段最佳型式的隔板组合改型方案对旋转冲压压缩转子性能的提升最大,其总压比和效率相较于原型分别提升了12.0%和7.1%。     

双模态冲压发动机Ma6性能潜力受燃烧室入口参数影响的灵敏度分析

为系统掌握燃烧室入口参数对双模态冲压发动机性能潜力的影响,采用双模态冲压发动机燃烧室工作过程的一维分析方法,在飞行马赫数为6的不同燃烧室工作工况(即不同特征马赫数Mac)条件下,保持进气道捕获流量不变,研究了燃烧室入口马赫数Main和总压恢复系数σin对性能潜力(燃料比冲Isp,f)的影响。获得的数据表明,冲压发动机的性能潜力受燃烧室入口马赫数和总压恢复系数两者的综合影响,燃烧室入口马赫数越低、总压恢复系数越高,发动机性能潜力越大;在常见的燃烧室入口参数范围内(入口马赫数∈[2.4 3.5],入口总压恢复系数∈[0.3 0.7]),入口马赫数每减小0.1,燃料比冲增加约1.1%~1.8%,入口总压恢复系数越小,影响程度越大;入口总压恢复系数每增大0.1,燃料比冲增大约2.4%~4.0%,入口马赫数越大影响程度越大;存在燃烧室入口条件不同,但是发动机的比冲性能潜力相同的情况。对燃烧室分段过程的损失分析表明,在入口为超声速、加热段为亚声速(特征马赫数不大于1)工况条件下,入口马赫数增加导致燃烧区前激波串损失增大,是比冲性能降低的主要原因;燃烧室特征马赫数越大,燃烧过程导致的损失越大;从燃烧室入口到尾喷管出口全过程总压损失越小,获得的比冲性能越大。推导和拟合了冲压发动机冲量差燃料比冲随燃烧室入口马赫数和总压恢复系数的灵敏度关系式,与被拟合数据的差异在3%以内,该关系式可用于双模态冲压发动机部件参数匹配与流道一体化设计工作。     

高超声速飞行器机身/超燃冲压发动机一体化设计研究

开展了高超声速飞行器机身/超燃冲压发动机一体化设计方法的研究.以多目标遗传算法为优化方法,采用一维流动模型计算性能指标,对机身下壁面前体和后体型线进行了优化设计,得到了Pareto最优前沿面.计算结果表明该方法可大大提高机身/发动机的匹配水平,获得高性能的设计方案.该方法可进一步推广应用于包含更加精确的流动模型的优化设计当中.     

RBCC燃烧室冲压模态数值模拟及试验验证

为了探究煤油燃料火箭基组合循环(RBCC)发动机燃烧室在冲压模态下的燃烧特性,构建了一套仿真计算方法用于预测、分析燃烧室内流动及燃烧过程。以带支板喷注器、单凹腔火焰稳定器RBCC燃烧室为例,开展了冲压模态下的内流场三维数值模拟,计算得到的壁面压力曲线与地面试验及飞行试验结果符合良好。分析燃烧室压力、马赫数、燃气组分等参数可以发现：当前燃烧室结构能够实现冲压模态下液体煤油燃料的稳定、高效燃烧;与冷流相比,压升可达5倍以上;支板能够有效提高煤油燃料的掺混能力;火箭安装台阶下游存在利于燃烧和火焰稳定的回流区;通过调整凹腔、支板等喷注器供油规律,可提高来流氧气的利用率,实现更为充分的燃烧。     

地面辅助发射RBCC动力单级入轨飞行器参数敏感性分析

火箭冲压组合发动机(RBCC)是火箭发动机与冲压发动机的有机融合,可有效拓展飞行器的速域和空域包线,是未来单级入轨飞行器动力的重要技术途径之一。针对当前RBCC动力单级入轨飞行器存在的结构系数低和投送效率低的问题,提出一种基于新型地面辅助发射的RBCC动力单级入轨飞行器,对该飞行器开展了上升段轨迹设计,并对其主要敏感参数的影响进行了仿真对比分析,结果显示：地面辅助发射可有效规避RBCC发动机低速段引射模态比冲低的问题,并提升单级入轨飞行器的投送效率;起飞弹道倾角、爬升等动压值对单级入轨飞行器的投送效率影响较小,而阻力影响较大;在吸气式模态工作范围,单级入轨飞行器可通过倾侧飞行实现大范围的横向机动,有效拓宽发射窗口。     

基于拓扑优化的冲压发动机主安装节承力结构设计

针对冲压发动机主安装节承力结构优化,开展集中力扩散结构设计。首先采用工程方法设计放射肋扩散结构方案,然后开展拓扑优化设计。通过平板结构优化算例验证适合此类工程问题的内力均匀性约束条件,采用全域粗网格模型求解优化设计域、精细网格模型求解结构方案的二轮优化迭代的拓扑优化方法,得到最终优化结果。通过工程设计法与拓扑优化方法的对比,证明拓扑优化方法更适合处理多方向、多工况载荷的集中力扩散结构工程问题。结构拓扑优化方案对比放射肋方案：结构质量减轻2.6%;对应最大载荷(工况3)的结构最大变形量减少4.4%,结构最大应力减少10%;集中力扩散效果更好。设计方法的有效性得到验证,为集中力扩散结构优化探索出实用的设计思路和方法。     

Ma4内并联TBCC发动机匹配设计与模态转换性能分析

由于发动机自身工作能力的限制,要想获得最大的发动机性能,在不同的飞行马赫数下,对应不同的发动机形式,因此为了达到宽马赫数飞行的目的,在不同工作区间采用不同发动机进行工作的组合循环发动机应运而生。涡轮基组合循环发动机(TBCC)作为组合动力的一种,采用涡轮发动机与冲压发动机组合的形式,可以在未来作为远程高速飞行器和可重复使用2级入轨(TSTO)飞行器的第1级动力,有广阔的使用前景。作为宽速域内工作的 TBCC,模态转换是实现 TBCC 发动机宽马赫数工作必须解决的关键技术问题之一。针对Ma4 速域 TBCC 发动机,建立了相应的涡轮发动机与亚燃冲压发动机并联模型,通过考虑2种发动机的设计点与非设计点工作条件,对模态转换马赫数进行了选择,并基于保持固定流量这个前体条件,给出了相应的并联TBCC 模态转换控制过程。基于建模并联模型,初步确定了采用涡轮与亚燃冲压动力的 TBCC 发动机的可行性,在合适的匹配条件下,TBCC 组合动力可以满足飞行器的推力需求。     

冲压发动机燃烧室燃料喷射的简化计算方法研究

为了采用二维/轴对称模型来研究喷射的三维问题,拓展该模型的适用范围,从而缩短数值模拟的周期,提出了一种针对流动通道内燃料喷射作用的简化模型,即采用源项加质来近似代替喷射的质量添加。为验证这种简化方法的可行性,进行了二维模型源项加质模拟垂直喷射的对比性计算,并且和三维模型计算结果及文献中的实验结果进行了对照,验证了此种处理方法的可靠性。运用以上简化模型,对某冲压发动机进气道及燃烧室内通道处的流场,采用五组元单步反应模型进行了数值模拟,得到了各主要气动参数及组分质量分数的分布。同时,研究了燃料喷射质量流量变化对于发动机工作状态的影响并探讨了亚燃冲压发动机进气道和燃烧室匹配方面的问题。通过以上的计算,表明采用源项加质处理,二维及轴对称模型,具有较好的时效性及足够的计算精度,适合在型面设计阶段进行使用,并容易在工程应用中实现,是一种值得推荐的简化处理方法。