面向巡航任务的自适应循环发动机进/发匹配

进/发匹配是整个推进系统稳定、高效、经济工作的前提。针对自适应循环发动机的进/发匹配问题开展研究,提出利用自适应循环发动机特有的FLADE (Fan on Blade)部件实现亚/超声速巡航任务下的进/发匹配。首先,根据进/发匹配原理,分析了超声速进气道流量特性与FLADE部件的作用,在此基础上发展了超声速进气道/自适应循环发动机一体化数学模型;其次,研究了FLADE导叶开、闭状态下发动机的高度、速度特性,结合战机的亚/超声速巡航任务需求,设计了自适应循环发动机进气道捕获面积以实现进/发匹配;最后,在发动机亚/超声速巡航任务点进行了模拟仿真,结果表明在亚声速巡航点打开FLADE导叶吞入溢流能够使进气道的工作点从亚临界向临界状态移动,推进系统降低10.5%的油耗和1%的安装损失,在超声速巡航点下为同时满足进/发匹配特性及发动机安装推力需求,则需要关闭FLADE导叶提高推进系统的单位推力。     

基于适航符合性的短舱风扇一体化迎角与侧风特性

以某小型涡扇发动机为研究对象,采用数值模拟方法对0°、15°、25°迎角和±10、±20、±30 m/s的90°横向侧风条件下短舱风扇一体化的特性及流场进行研究。结果表明:随着迎角的增大,相同风速条件下逆向侧风对短舱进气道和风扇性能的负面影响更大,依据机动性、风速和喘振/失速特性的适航条款要求,得到迎角为25°时,短舱风扇一体化性能可承受的正、逆向侧风范围分别约为0～23 m/s和0～18 m/s,相应得到侧风速度为±30 m/s时,所允许的机动迎角范围分别约为0°～3°和0°～2°。      

基于膨胀波效应的高超声速进气道肩部流动分离控制研究

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离,从膨胀波及激波理论出发,推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式,获得了影响斜激波诱导分离的主要因素：膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上,开展了膨胀波效应影响下的流动分离控制研究,给出了膨胀波效应影响下斜激波诱导分离的判别及预测方法。结果表明：增大激波入射点处膨胀角梯度,可以显著减小甚至消除肩部流动分离;随着激波角增大,激波强度及逆压力梯度增加,分离区尺寸显著增大。而波前马赫数对分离区尺寸的影响不显著;在进口马赫数3.57～5.18,唇罩角度6°～10°范围内,当激波入射点处逆压比梯度小于250 m-1时,斜激波诱导的流动分离消失,可为改善超声速/高超声速进气道内流道流动分离提供技术支撑。     

进气道/发动机一体化多变量控制方法研究

针对亚声速情况下飞机机动飞行过程中大攻角状态下进气道和发动机之间流量难以匹配而导致推进系统推力损失较大的问题,提出了一种进气道/发动机一体化多变量控制方法。基于进气道/发动机一体化模型推导出了带有辅助进气门的进气道/发动机共同工作方程,并分析了共同工作原理,选用进气道和发动机的共同工作点位置作为进气道反馈量,增广到状态量中以保证进气道和发动机流量匹配。为了抑制攻角等因素引起的推力瞬间损失,在控制回路中加入了进气道限制保护环节修正控制指令,基于H₂/H_∞算法设计了进气道/发动机多变量控制器。在发动机非线性部件级模型上开展了全数字仿真验证,仿真结果表明,与常规的进气道开环控制结构相比,所提出的进气道/发动机一体化多变量控制具有良好的动态性能,并且在攻角变化情况下推力损失更小。     

周期节流扰动下激波串振荡流动的数值模拟

基于动网格方法数值模拟并分析来流马赫数为6,二元进气道/隔离段构型在频率为50～500 Hz周期节流下的激波串振荡流动。结果表明：当节流比在0.2～0.32范围内周期变化时,隔离段出现与节流频率相同的激波串振荡现象。节流频率会影响激波串振荡幅度和壁面压强波动特性。50 Hz与100 Hz工况的激波串流向振幅相近,100～500 Hz范围内随频率增加,流向振幅从15.5 mm减小至10.8 mm。壁面压强随频率的变化规律更加复杂,以凹腔中部为界,其上游壁面压强时均值、均方差峰值整体随频率增加而降低,其中50 Hz工况唇口侧壁面压强均方差峰值可达21倍来流静压,但其下游壁面压强无明显规律。分析表明节流频率对激波串振荡的影响与节流扰动的传播时间相关,工程设计中需综合考虑构型与反压参数对激波串振荡的影响。     

设计参数及附面层修正对“咽”式进气道性能的影响

为了研究不同的平面斜激波流场对流线追踪"咽"式进气道性能的影响规律,寻求性能最佳的进气道,对设计马赫数为7,具有不同三维基本流场的流线追踪"咽"式进气道进行了数值模拟。研究表明:选择8-7无粘流场(即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生)作为基本流场设计出的流线追踪进气道压缩性能、总压恢复性能及起动性能均能满足设计要求,并有较高的捕获流量;另外,通过对其进行附面层修正,设计状态下的各性能参数都较接近无粘设计参数,并且大幅度提高了进气道的流场均匀性。     

基于体积力模型的大S弯进气道与风扇耦合计算研究

为理解超紧凑大S弯进气道与风扇的耦合效应,基于体积力模拟方法开展了一体化计算研究。研究的进气道长径比为2.5,使用Rotor 67进行耦合分析,体积力模型与冻结转子计算得到的总压比、总温比和等熵效率分别相差4.49%,0.26%和2.38%。流场分析表明,风扇对入口段流场影响较为明显,主要体现为畸变区的顺向偏转与微弱衰减;进气道出口畸变经过风扇叶片后得到改善,大低压区和反向旋流基本消失;而流体在叶片的前后缘旋流角与轴向速度的综合改变量越大,风扇对气流做功越多。总的来说,超紧凑大S弯进气道与风扇之间耦合比较明显,需要在设计时进行详细的考察。     

槽对超声速混压式进气道性能及边界层的影响

为提高定几何超声速混压式轴对称进气道的性能,应用在进气道不同位置开槽的方法,研究了在各级锥体上、锥体折角处开槽时锥体上的边界层变化,研究了多工况下开槽对进气道的总压恢复系数、流量系数、增压比和起动性能产生的影响.结果表明:开槽一方面改变了超声速进气道锥体上的波系分布和进口马赫数,另一方面也使槽后边界层厚度增加,改变了边界层内的速度分布,使摩擦阻力增大.二级锥面上槽后边界层厚度模型1比原型大33.3%,模型2比原型大16.7%,三级锥面上槽后边界层厚度模型1比原型增加52.4%,模型2比原型增加9.1%.开槽使高马赫数下的总压恢复系数有所增加,其增加量随来流马赫数的变化而变化.在马赫数为4.0的设计状态下,折角处开槽可使进气道的总压恢复系数提高1.8%,锥体上开槽可以提高4.3%.锥体折角处开槽对流量系数和起动性能影响不大.     

弹用模块化Busemann进气道数值研究

对经过附面层修正后的模块化扇形流管流线追踪进气道进行了数值模拟,以截短角度和收缩比对这种进气道总体性能的影响进行了研究,主要得到以下结论:附面层修正能够大幅提高进气道的流量系数和流场均匀性;经附面层修正后的扇形流管流线追踪进气道有较好的性能,流量系数能达到0.9以上,在流管内没有大的分离区;进气道流量系数和压缩量随着截短角度的增大而增大,而收缩比越大,流量系数越小,压缩量越大;发动机推力与进气道流量系数有关,发动机推力和比冲基本上均随截短角度的增大而增大,而收缩比对它们的影响并不明显.