基于DMD方法的超声速进气道喘振特性分析

采用非定常数值仿真方法对典型超声速进气道的喘振现象进行了研究,并引入动力模态分解(DMD)方法对小喘和大喘流动特性进行了分析,获取了小喘及大喘的流场振荡特征,其中DMD得到的1阶模态反映了时均流场特征、2阶模态反映了主频振荡流场特性。在此基础上,针对小喘与大喘的相互关系进行了研究,结果表明:进气道内小喘流动包含大喘的流场振荡特性,小喘状态是进气道由不喘到大喘状态的中间状态,由小喘向大喘演化过程中,进气道内一些流动特征逐渐减弱并趋于稳定收敛,大喘的流场结构整体上比小喘状态更为稳定。      

Bump/前体一体化对高速进气道起动特性的影响研究

基于下颌式进气道将Bump/前体一体化设计方法应用于进气道设计,采用特征线法设计五种不同型面的前体,并采用数值仿真的方法,计算每种Bump/前体一体化进气道的自起动过程。研究表明:加入合适的Bump型面可极大提高进气道起动性能,将横向压力梯度集中在侧板附近的构型使进气道自起动马赫数降低了0.95。Bump/前体一体化对不起动状态下分离区形态进行三维重构,改变了分离区内横向溢流,从而改变了进气道起动能力。另外,通过对进气道起动过程的研究发现,进气道内形成封闭式分离区时,通常在高于设计马赫数时才能起动,进气道设计中应尽量避免这种状态的出现。     

一种适用于进气道/风扇一体化计算的体积力模型

全流道的进气道/风扇一体化计算虽然能捕捉到全面、完整的流场细节,但仍然需要消耗大量的计算资源。为了节约计算成本,利用有限的设备达到快速高精度计算的目的,采用自行发展的块体积力模型替代真实叶片进行一体化计算。该模型将叶片流域沿周向等距分成若干块,每个块的体积力源项关联于叶片前缘参数。研究结果表明:该体积力模型能够准确地模拟出流场特征与细节。在均匀来流下,各参数的相对误差在0.5%以内。同时,在大S弯进气道高畸变来流条件下,与冻结转子方法计算结果相比,总压比、总温比和等熵效率的相对误差分别为4.49%,0.26%和2.38%。     

喉道对压气机超声叶栅流态及性能的影响

为更深入认识超声叶栅流动机理,以ARL-SL19、CM-1.2和SM-1.5叶栅为研究对象,采用数值模拟和理论分析相结合的方式开展喉道对超声叶栅激波结构和性能影响的研究。研究结果表明:超声叶栅存在两种稳定工作状态,起动状态和溢流状态;在来流马赫数较高时,叶栅只工作于起动状态;在来流马赫数较低时,叶栅只工作于溢流状态;存在一个马赫数区间,叶栅的工作状态由前一个状态决定;对于低马赫数C形超声叶栅,高压比下气动喉道起决定因素;对于高马赫数S形超声叶栅,真实喉道起决定因素;若为气动喉道导致溢流,溢流实现更大的裕度和更低的损失,进口马赫数和气流角会受压比影响;若为真实喉道引进的溢流,溢流会降低裕度并增加损失,叶栅保持唯一进气角流动,但进口气流角和马赫数与起动状态不同。     

曲外锥乘波体进气道实用构型设计和性能分析

介绍了新型曲外锥乘波前体进气道(CCWI)的一体化设计方法,设计了理论构型并验证了设计方法。在几何参数约束下,获得了隔离段矩形出口,考虑前缘钝度及展向切除的乘波前体进气道构型。基于验证的数值仿真工具及计算网格策略,分析了几何切除及钝度和黏性对一体化构型性能的影响。在来流马赫数为4.0和6.0,迎角(AoA)在-4°~8°范围内,对设计的乘波前体进气道的基本性能进行了雷诺平均Navier-Stokes数值仿真,结果表明,该乘波前体进气道具有较高的流量捕获和总压恢复特性,隔离段出口参数满足超燃冲压发动机入口需求。该新型乘波前体进气道一体化方案及研究结果为一体化曲外锥乘波飞行器及一体化乘波推进流道的研究奠定了技术基础。     

高超声速进气道低马赫数不起动和再起动试验

为拓展对高超声速进气道不起动机理的认识,对一截短的二元高超声速进气道的低马赫数不起动现象和再起动现象进行了风洞试验研究。试验中分别通过改变进气道攻角和在通道下游设置堵锥形成流动壅塞的方法来模拟进气道来流马赫数的改变和燃烧室内释热导致的流动壅塞。试验中采用高速纹影技术和动态压力测量技术对上述动态过程中的瞬态流动结构和壁面动态压力信号特征进行了记录。研究发现,当进气道处于低马赫数不起动时,其口部分离包诱导激波受分离包自身振荡特性的影响,在唇口附近连续的小幅振荡,进而给整个进气道通道内引入了一类无基频的小幅压力扰动。而该扰动随着马赫数的增加,进气道恢复起动后逐渐消失。此外,还捕捉到了进气道再起动过程中分离包吞入的迟滞现象,进气道从"小喘"阶段恢复至起动状态时,由于下游高压的存在使得分离包未能完全吞回,并出现了类似低马赫数不起动时的无基频小幅振荡。该振荡直至通道下游完全敞开、口部分离包被吞入才逐渐消失,至此进气道也顺利地恢复到了起动状态。     

捕获型线对内转式进气道外压段几何与气动特性的影响

以直内收缩锥流场为基准流场,构建了一套内转式进气道外压段的设计与性能快速分析程序.进而以矩形捕获型线为例,研究了决定捕获型线形状、位置的3个参数(中心距、旋转角和宽高比)对进气道外压段几何与气动特性的影响,将捕获型线为矩形、带圆角矩形及圆形时的外压段进行了对比.结果表明:捕获面平均半径是可作为评价外压缩段设计的一个重要几何参数,平均半径越大,总压恢复系数越高;对于矩形捕获型线而言,当中心距增加时,前缘长度、弧长、湿润面积单调增加,外收缩比单调减小,而旋转角和宽高比对外压段几何参数的影响比较复杂;在矩形捕获型线的3个参数中,中心距对总压恢复系数的影响最显著.此外,当捕获型线的中心距与面积保持不变时,圆角半径对外压段几何与性能参数影响不大.      

基于Busemann压升规律的可控消波内转基准流场设计

通过将经典Busemann设计方法和特征线反设计方法相结合,实现了对基准Busemann流场的气动截短,构建了一种具有基准Busemann流场截短压升规律的可控消波内转基准流场.通过数值模拟对可控消波内转基准流场及其追踪得到的“糖勺”型进气道进行了无黏验证分析.结果表明:特征线和CFD计算结果相吻合,可控消波内转基准流场设计合理可行.该基准流场继承了Busemann设计方法的高效压缩特性,且反射激波得到有效控制,基本实现消波,性能优于传统的截短Busemann流场.在设计点马赫数为7条件下,喉部截面参数均匀,增压比为18.32,总压恢复系数为0.878,压缩效率为0.936,隔离段内几乎无损失,出口气流匀直,气流角均在±0.4°以内.流线追踪得到的“糖勺”型进气道出口形状更加饱满,流动特征与可控消波内转基准流场基本一致.      

吸气式高超声速飞行器前体/进气道一体化设计与试验

针对吸气式高超声速飞行器前体/进气道一体化设计的问题,以总体指标为约束,采用数值设计手段开展了前体/进气道一体化设计,并对高超声速飞行器进行测压/测力试验,考核了前体/进气道的一些主要性能,结果表明:①设计状态下,数值计算结果表明前体/进气道性能符合总体指标要求,设计手段有效;②数值手段模拟结果和风洞试验结果吻合良好,流量系数最大误差为4％,总压恢复系数最大误差为42％,数值算法有效;③前体/进气道的附加阻力随来流马赫数的增大而减小,0°攻角下,在来流马赫数为4时,附加阻力占总阻力的172％,在总体设计时应予以考虑;④在进行吸气式高超声速飞行器通流测压/测力试验设计时,应充分考虑进气道不起动的试验预案,防止由于进气道不起动导致整个试验的失败.      

乘波概念应用于吸气式高超声速飞行器机体/进气道一体化设计方法研究综述

乘波体构型应用于吸气式高超声速飞行器设计主要有两大优势:一是可以高效地捕获预压缩后的气流;二是通过优化,可以实现飞行器的高升阻比性能设计。基于这两个优势,乘波概念应用于高超声速飞行器机体/进气道气动一体化设计可分为两大类:乘波前体/进气道一体化设计和乘波机体/进气道一体化设计,前者主要利用乘波体高效捕获预压缩气流的特性,而后者则同时利用乘波设计的两个优势。本文总结了国内外学者将乘波概念应用于机体/进气道一体化设计的两大类方法,对其进行了较为细致的分类,归纳总结出"通过设计基准流场进行流向设计、应用吻切理论或几何拼接方法进行展向设计"的总体设计思路,分析了今后的研究发展趋势。