超声速涡轮叶型全局气动优化设计

针对涡轮叶型全局优化设计计算时间长、样本空间大等难点提出一种可行的优化设计方法,该方法将控制叶型的17个参数作为优化变量,采用第二代多目标遗传算法进行全局自动寻优。基于此方法,搭建了涡轮叶型全局优化设计平台。利用此平台,分别采用轴向稠度固定和自由优化两种方式对超声速涡轮叶型进行了优化设计。数值计算结果表明,两组优化设计叶型在设计工况下总压损失系数比参考叶型分别低19.5%和10.0%,流道中的激波强度更弱,且在变工况条件下都具有较好的气动性能。深入分析流场与激波结构后发现,外尾激波相比于内尾激波对总损失的影响更大,通过减小气流膨胀转折角或内尾激波气流转折角能够有效削弱外尾激波强度。     

比热比和压比对高超飞行器尾喷流影响的实验研究

采用比热比为1.25的四氟化碳和空气的混合气体,模拟了超燃冲压发动机出口高温燃气的比热比。采用模型内喷管模拟发动机内喷流,风洞流场模拟飞行器外流。在0.5m常规高超声速风洞中,建立了模拟吸气式高超飞行器热态尾喷流干扰研究的实验手段,开展了喷流比热比对吸气式高超声速飞行器后体区域气动性能影响的实验研究。比较了相同外流和喷流落压比条件下,纯空气和混合气体喷流在喷流干扰区域的压力分布及流场结构。结果显示,混合气体喷流和空气喷流在喷流干扰区域的流场及表面压力分布差别明显。实验证实了喷流比热比是一个不可忽视的重要因素,在研究吸气式高超声速飞行器喷流干扰问题时应准确模拟。     

横流注入形式对发动机尾喷流红外辐射特性影响的数值研究

针对轴对称收敛喷管,在其出口设计了横向射流装置,在保持横流总流量相同且进口总温为840K的情况下,数值模拟研究了横流不同注入形式对发动机尾喷流红外辐射的抑制效果.横流的注入能够增强尾喷流与外界气流的掺混,减小高温区长度.结果表明:周向4股注入时的掺混效果要明显弱于横流单股、双股相对注入,故其红外抑制效果也较差;在侧方探测面上,方位角大于20°时,横流单股注入与双股相对注入时的抑制效果非常接近,但后者效果稍好,其最大降幅达到71.6%;在下方探测面,两者的辐射强度均要比其在侧方探测面时大,且双股相对注入时的辐射强度与周向4股注入形式相当;在上方探测面上,相对于其他注入形式,横流单股注入时的辐射强度相对较小,最大降幅达到78.4%.      

球面收敛二元喷管出口三角形锯齿对气动和红外特性的影响

通过数值计算研究,分析了喷管出口锯齿修型对涡扇发动机排气系统球面收敛二元喷管气动及红外特性的影响.结果表明:相对于基准喷管,喷口锯齿修型均造成排气系统推力系数和总压恢复系数的下降,且齿底角越大,推力系数的损失越大.比较而言,内缩型锯齿修型方式对排气系统气动性能的影响最小,但导致排气喷流和总体红外辐射强度在±15°探测角附近的较大增强;外伸型锯齿修型对排气系统气动性能的影响最大;30°齿底角的等面型锯齿修型综合性能较优,对推力系数和总压恢复系数的影响微弱,同时在-30°~0°,0°~30°的探测视角内体现出一定的红外辐射抑制作用.      

超声速双侧二元进气道在侧滑状态下的再起动特性数值研究

针对冲压发动机燃烧室压强过高导致进气道不起动的问题,对一种双侧布局的超声速混压式二元进气道的再起动特性开展数值研究,获得了小侧滑角下迎、背风侧进气道的再起动特性。结果表明:对于双侧布局的进气道,其再起动出现了明显的回路迟滞现象,且在小侧滑角下,迎、背风侧进气道的再起动流态出现了明显的不对称性,在不起动及再起动的过程中会出现单侧进气道不起动的现象。比较发现:迎风侧进气道较背风侧进气道更容易出现不起动,且其实现再起动更为困难。通过对比不同背压峰值作用下的进气道再起动特性发现,当进气道背压峰值大于进气道不起动背压时,进气道的再起动背压值不随着背压峰值的增大发生变化,但进气道会发生倒流,形成反向冲量,导致内阻急剧上升,发动机工作性能恶化。      

超声速喷管性能优化研究与应用

基于重启全局最优化方法和高斯过程（GP）模型,以模型区流场指标为优化目标,对超声速喷管型面进行优化设计。给出0.6m连续式跨声速风洞流场测试结果,提出优化问题并验证了CFD计算的有效性。利用拥挤距离来控制重启局部优化算法的位置,实现更高效的重启全局最优化算法;利用高斯过程模型对喷管设计参数与模型区流场性能指标的关系进行建模,构造替代数学模型来执行优化搜索,以减少实际的CFD评估次数。结果表明:该方法能以较小的代价实现对喷管性能的优化,模型区马赫数方均根偏差由0.012降到0.001,马赫数梯度由0.049降到0。      

喷流落压比对高超飞行器尾喷管内外流干扰的实验

为了研究吸气式高超声速飞行器尾喷流对飞行器尾部区域气动性能的影响,在中国空气动力研究与发展中心05m高超声速风洞中,在来流马赫数为50和60条件下,开展了不同落压比条件下的尾喷流干扰测压实验研究,同时采用高清纹影观测了喷流干扰区域的流场结构。实验结果表明:不同喷流落压比时,飞行器尾部区域表面压力分布差别明显,高落压比时喷流干扰作用的区域更大,压强数值更高。纹影也显示高落压比时交叉干扰激波更强、剪切层扩张更明显。喷流干扰区域已影响到了飞行器水平翼区域的压力分布,将会对飞行器操纵特性产生影响。      

低中等雷诺数超声速轴对称射流气动声场

采用线性抛物化稳定性方程(LPSE)方法对低、中等雷诺数条件下的超声速轴对称射流进行了研究。结果表明:射流中不稳定波的增长特性决定了声辐射的特性。在低雷诺数条件下,不稳定波的频率范围较窄,且由于不稳定波的增长区间较长,因此声辐射的范围较宽,声源不集中,声辐射的方向角不明确。在中雷诺数条件下,不稳定波的频率范围较宽,且由于不稳定波的增长区间较短,因此声辐射的范围较窄,声源集中,声辐射的方向角较明确;且随着斯特劳哈尔数增加,声辐射的方向角增加。在低雷诺数条件下,射流基本流的法向速度对射流气动声场的影响较弱,而在中等雷诺数条件下,其对射流的气动声场影响较强。      

超声速燃气射流驱动液柱平衡体实验研究

为了研究在低温寒冷工作条件下单兵火箭发射过程中声、光、焰、烟等缺陷的抑制方法,设计了将防冻液柱放置在发射筒尾管中作为平衡体的实验方案。实验中采用高速摄影系统观察了超声速燃气射流驱动防冻液柱在大气环境中的扩散过程,并利用压电式传感器测得了发射筒周围的冲击波超压值,对比了燃气驱动防冻液柱和液体水柱两种状态下射流流场的测试结果。实验结果表明,由于液体柱的阻碍作用,射流流场发展初期的径向发展速度相比于轴向发展速度更快。随着射流流场的逐渐发展,出现了Kelvin-Helmholtz不稳定效应。以防冻液柱为平衡体时,弹丸所获初速更高,由于防冻液气化潜热较高,相比于液体水气化时吸收了更多的燃气能量,降低了射流特征参数。通过与以液体水柱为平衡体的射流流场对比,发现以防冻液柱为平衡体时整个测点区域的噪声声压级峰值均有所降低,声压级降低了1.5 ~ 3.5dB,验证了此方案的可行性。     

超声速喷流激波噪声基础问题数值模拟研究进展

超声速喷流问题是一个包含激波、旋涡、湍流和声波的多尺度复杂流动问题,其数值模拟方法及激波噪声产生机制是相关研究的长期热点和难点。本文简要回顾了超声速喷流激波噪声研究进展,重点介绍了针对激波噪声计算方法的非物理噪声消除技术和光滑因子设计准则,针对超声速喷流激波噪声研究设计的模型问题（包括旋涡–旋涡相互作用、激波–旋涡相互作用和激波–剪切层相互作用等）,以及轴对称和三维超声速喷流的研究进展。本文还介绍了作者最近针对超声速喷流开展的三维直接数值模拟、实验验证工作和初步分析结果（包括轴对称模态定位、束缚波演化和摆动模态发展等）。