高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

高超声速气动热预测技术及发展趋势

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一。对高超声速气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨。首先,简要回顾了国内外高超声速气动热理论预测及地面实验技术的发展历程;在此基础上,结合典型外形的计算与风洞试验结果的比较,重点介绍分析了气动热工程计算方法、数值模拟方法、气动热风洞试验设备的模拟能力及目前实验测试技术的研究水平;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了气动热预测技术应研究解决的问题。     

转静干涉对跨声速吸附式压气机流场的影响分析

跨声速低反动度吸附式压气机的静叶流道中不但有附面层抽吸,还会存在由于低反动度设计而产生的激波,因而流动现象异于常规压气机,非定常效应明显,故采用非定常数值模拟方法,对跨声速低反动度吸附式压气机的内流场展开研究。通过选取两个最具代表性的时刻,探究了转静子干涉对该压气机气动性能以及内流场的影响。结果表明:非定常不同时刻的效率峰谷值之差达0.937%,流动的非定常性很强。转子尾迹对静子流道中展向抽吸缝前的区域干涉作用明显。在静叶流道中,分离主要存在于三个位置:30%弦长位置、尾缘顶部以及尾缘根部,其中静叶吸力面侧30%弦长位置的分离原因是激波与附面层干扰,且该处部分低能流体的吸除方式为"螺旋路径吸除",并详细分析了其对流场的积极和消极影响。此外还建立了激波尾迹干涉——激波与附面层干扰——非定常效率波动这三者之间的联系,找出了非定常效率波动的原因。     

吸气式高超声速飞行器内外流同时测力试验

为研究吸气式高超声速飞行器新型测力试验技术的可行性,在马赫数Ma=6、高度H=27km模拟飞行环境下开展了风洞试验。以轴对称吸气式高超声速飞行器无舵翼简化构型为研究对象,通过合理的试验系统设计解决内外流解耦关键技术,采用两个环式六分量天平在同一车次上测量模型内外流气动力载荷。试验结果表明:内外流气动力天平测量数据和全模气动力数据准确反映了内外流解耦、内外流窜流、进气道起动/不起动以及溢流影响等物理现象;从物理上实现了内外流解耦;内流气动力对全机气动性能贡献大;内外流解耦、进气道起动时,气动力数据准确、重复性好;窜流产生的传力属于内力。试验证明,同时测力试验技术可行,为解决内外流气动数据源于不同试验所致的不确定性问题提供了有效手段。     

某3级风扇试验流场诊断及性能优化

压气机试验是检验压气机设计是否达标的重要过程,并可在原设计基础上进行优化来发掘设计的潜能。利用级间总压和壁面静压在某3级风扇第1阶段试验对级间流场进行了详细测量和级性能诊断,提出了静叶角度优化方案;通过第2阶段试验,得出了角度优化后使设计转速喘振裕度提高了7.5个百分点,达到了设计指标的结论。流场诊断技术在压气机试验中起到了关键作用。结果表明:壁面静压结合级间径向总压测量方法基本能够满足在压气机试验中性能优化的需要。     

高超声速飞行器进气道压缩面逆向设计方法

针对高超声速飞行器进气道压缩面问题,首先研究了激波理论的逆向算法,以此为基础提出了进气道的等强度和等熵压缩面的逆向设计方法,并采用此方法设计了以进气道出口气流参数为设计参数的高超声速飞行器进气道压缩面,然后对两种压缩面进行了性能分析和数值仿真.结果表明:通过逆向设计方法设计进气道压缩面是可行的,其相对于传统方法耗时大大减少;理论计算表明相同设计条件下两压缩面几何参数基本一致,而来流参数也基本不变,设计点下等熵压缩面总压恢复系数高出等强度压缩面6.3%.数值仿真验证了该方法的可行性并研究了非设计状态下两种压缩面的各项性能参数,同时对比了不同马赫数下进气道内部波系分布和气流均匀性.      

复合弯掠优化对跨声速压气机性能影响的研究

为了研究复合弯掠优化对跨声速压气机性能的影响,以一跨声速级为对象,基于数值方法对优化前后的压气机整体性能和近设计点工况下转子内的流场进行了对比分析。结果表明:复合弯掠可以有效改善转子内部的流动和提高压气机的性能,其中近设计点的效率提升了约0.9%,近失速点效率提升约0.2%。复合弯掠可以使得负荷沿展向和弦向重新分配,改善了尖部和根部附近的流动;激波的空间结构发生了改变,全叶展上的激波均整体后移且尖部附近激波形态由一道前缘强斜激波转变为一道前缘弱斜激波和一道通道激波组成的激波系。复合弯掠也降低了叶尖"二次泄漏"的影响范围,使主流与泄漏流交界面的位置向下游移动,减小了叶尖附近通道内的堵塞和熵增区域。     

临近空间高超声速滑跃式轨迹目标跟踪技术

针对临近空间目标飞行速度快、机动特性强和加速度突变的特性,提出一种地心直角(ECEF)坐标系下基于目标特性分析的修正强跟踪滤波(MSTF)算法。首先,通过对ECEF坐标系下目标量测的无偏转化处理,以有效减小目标高超声速飞行所带来的旋转、平移和线性化误差影响;接着,在对目标特性充分分析的基础上,合理构建强跟踪滤波(STF)模型,通过对模型参数的自适应调节,以有效实现临近空间高超声速滑跃式轨迹目标的精确跟踪;最后,结合统计学原理对目标加速度的突变进行合理检测和补偿,以进一步修正强跟踪滤波模型的跟踪精度。仿真结果表明,与现有的临近空间目标跟踪算法相比,该算法具有较高的定位跟踪精度。     

基于滑模干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

首先,针对存在外部干扰和输入饱和的通用式高超声速飞行器的纵向动态模型,提出一种基于滑模干扰观测器的抗饱和滑模控制器。该滑模控制器采用非线性趋近律,在保证系统快速、稳定跟踪指令的同时,能够消除传统滑模控制中的抖振现象,并针对执行器饱和问题,加入抗饱和补偿器,以提高系统的稳定性。其次,对于系统中存在的干扰和不确定性,提出一种滑模干扰观测器,用以准确估计系统中存在的等效干扰,并将该观测器对干扰的估计值应用于滑模控制器中进行补偿,以消除干扰。再次,利用Lyapunov理论对所提出的基于滑模干扰观测器的抗饱和滑模控制器进行稳定性分析。最后,对高超声速飞行器的巡航状态进行仿真。仿真结果表明,所提方法能够有效提高系统的稳定性和抗干扰性,具有一定的实际应用价值。     

旋转进口畸变频率对跨声速压气机稳定性影响的数值研究

为了研究旋转进口畸变对于压气机失速过程的影响,以及探讨最易诱发压气机失速的扰动频率即特征频率存在性的问题,采用非定常方法计算研究了4种不同频率的进口旋转畸变对跨声压气机Rot or37失速起始过程的影响。结果表明:在同样幅值条件下,当旋转频率与失速扰动频率相近时的畸变会引起失速,反之亦然;进口畸变的低压区引起部分叶片通道内流动结构失稳后,在叶尖泄漏涡破碎的作用下通道内形成严重堵塞,从而导致压气机失速。该方法能够较好地描述转子中失速团的发展过程,同时得出了进口畸变频率对失速过程影响的物理机制。