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。     

超声速气流中乙烯点火试验与影响因素

对超声速气流中的非预混乙烯燃料扩散点火过程进行了试验研究,采用高速摄影、纹影技术获得了点火过程的火焰成功传播与失效图像和激波动态演化过程。基于点火前喷注混合流场的NPLS（纳米粒子散射）、PIV（粒子图像测速）试验数据和大涡模拟结果对影响点火结果的关键因素进行了研究,分析了点火过程的燃料分布、回流区尺寸、激波串作用、气动壅塞效应等关键流动特征对火焰传播过程和点火失效模式之间的影响关系。研究结果表明,点火过程的激波串前移过程会对燃料的分布造成影响,并进而影响凹腔内的燃料质量分数分布;凹腔角回流区是初始火焰形成的关键区域,点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后,分别扩展形成凹腔驻留火焰,并向下游输运、掺混燃烧,建立预燃激波串,形成点火过程的正向压力反馈;凹腔内燃料分布受喷注位置、喷注压力的影响,采用凹腔内主动喷注的方法能够主动调节凹腔内的燃料分布,有助于初始火核的形成,能有效避免点火过程中由于压力反馈对燃料分布影响造成的熄火现象。      

超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景,采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型,采用高精度WENO格式进行空间离散,并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致,来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构,并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析,揭示了流场结构特征及其时空演化规律,并获得了流场密度脉动特性。      

高超声速进气道的裂解碳氢燃料提前喷注研究

高超声速进气道的裂解碳氢燃料提前喷注一方面可以显著增加燃料的有效掺混长度,另一方面也可以实现对进气道激波和流场的控制。以替代裂解碳氢燃料C_(12)H_(24)为喷注气体,采用数值工具模拟高超声速二元进气道在飞行高度为26km时的工作状态,开展了马赫5设计状态无燃料喷注和马赫6超额定状态带燃料喷注的两类流场分析,重点研究燃料对波系的控制和燃料的自身掺混。通过调节五喷嘴的燃料喷注压力发现,按照马赫5设计的高超声速进气道在马赫6时同样可以实现完全激波贴口,燃料在进气道内通过多重外压缩激波作用也实现了与空气的完全掺混。同时,冷壁温条件下进气道内仅出现少量近壁燃烧,CO_2产物的质量百分比仅在10~(-7)量级,进气道出口的总压恢复系数相较无化学反应时下降2.5%,但仍维持在0.5左右。还对比了五喷嘴、三喷嘴、五喷嘴后移和90°单喷嘴结构下进气道流场以及掺混效率的区别,结果表明,五喷嘴结构的进气道燃料喷注可以实现4倍喷注压力下的激波封口和快速完全掺混,而三喷嘴、后移五喷嘴和单喷嘴结构分别需要5倍、5倍、6.6倍来流静压实现进气道马赫6的激波贴口。     

不同波系配置的鼓包压缩面引起的激波/边界层干扰特性

为了对不同波系配置的鼓包压缩面引起的锥形激波和来流边界层干扰的流场特性进行对比分析,分别以总偏转角相同的单锥、双锥和等熵锥等3种外锥流场为基准流场,在来流马赫数为2.0的条件下,采用流线追踪法设计了3种鼓包压缩面。在此基础上,采用数值仿真的方法对这3种鼓包压缩面在不同马赫数下的三维激波/边界层干扰流场进行了对比分析,结果表明:相比于单锥鼓包,双锥和等熵鼓包流场中的涡量集中区明显减小,且涡核处的涡量值也有所降低;对于双锥和等熵鼓包,由于受到后续波系的干扰,其表面流动的拓扑结构不再呈现出锥形相似性;双锥与等熵鼓包具有和单锥鼓包相同的边界层排移能力,且这一能力不随来流马赫数的变化而变化。此外,采用多波系配置能提高鼓包外压缩系统的总压恢复系数,波系数目越多,提升的程度就越大,且这一优势在高马赫数下更加明显。      

航空发动机推力直接测量飞行试验

建立了基于推力直接测量原理的发动机总推力计算模型,合理忽略了某些次要力简化了计算模型。在推力销上加装剪力应变桥路,建立载荷标定方程和温度修正方程获取发动机安装节推力;利用进气道测量耙测试参数,计算飞行中进气道冲压阻力和压差阻力。在某型飞机上开展了推力直接测量飞行试验,获得了某小涵道比涡扇发动机飞行总推力,并分析了空中平飞加速过程总推力和各推(阻)变化规律。结果表明:飞行马赫数处在约0.98~1.02时,总推力随飞行马赫数增大而急剧增大;高度为8km、飞行马赫数为1.42时发动机最大状态总推力相对值为123.78%,高度为11km、飞行马赫数为1.69时总推力相对值为119.70%,均高于相同状态地面台架推力值。通过分析进气道压差阻力百分比,验证了发动机空中总推力测量结果具有较高的准确性以及推力直接测量技术的可行性。     

不起动流场对超声速/高超声速进气道自起动性能的影响

对7个典型速域的二维超声速/高超声速进气道加速自起动过程进行了准定常数值仿真,分析了真实临界不起动流场对进气道自起动性能的影响,研究发现:存在一种介于超声速和高超声速临界不起动模式之间的过渡临界不起动模式。当真实不起动流场处于超声速临界不起动模式时,自起动马赫数略大于无黏设计自起动马赫数;处于过渡临界不起动模式时自起动马赫数小于无黏设计自起动马赫数;而该研究中处于高超声速临界不起动模式的进气道,自起动马赫数明显大于无黏设计自起动马赫数。高超声速临界不起动模式下的喉道截面特征气流参数显著偏离无黏临界不起动流场,所以Kantrowitz理论以及基于该理论发展而来的系列方法不适用于预测高超声速进气道自起动性能。     

民用航空涡轮发动机短舱高速风洞试验

为了获取三种不同型面的民用航空涡轮发动机短舱气动特性,开展了高速风洞试验与数值仿真研究,获取了短舱的压力分布及内流特性,并对比分析了风洞试验数据与仿真结果。结果表明:随着流量系数减小及攻角增加,短舱上唇口外流出现分离;随着流量系数增大,短舱内流下侧出现分离;采用的CFD方法在无分离情况下静压分布与试验结果吻合,但随着流量系数的减小,CFD结果先于试验出现了气流分离。      

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

亚声速无人机背部S 弯进气道设计与试验

为了优化亚声速无人机进气道的性能,完成了1种背部S弯进气道设计。通过合理控制中心线形状和截面积变化率完成了内型面设计,利用内、外流场耦合仿真得到了该进气道的最佳工作点和速度、迎角、侧滑角特性。数值仿真结果表明:总压恢复系数达到0.97以上。利用试制的玻璃纤维进气道与发动机进行了地面静止吸气状态下的匹配试验,试验结果表明:在地面静止吸气状态下发动机稳定工作裕度和熄火特性均满足设计要求,推力损失小于0.032。