高超声速进气道钻石型强制转捩装置的转捩准则研究

针对吸气式高超声速前体/进气道外形,利用在Φ600mm脉冲燃烧风洞和Φ0.5m高超声速风洞上获得的边界层转捩试验数据以及CFD流场计算结果,研究了前体边界层强制转捩区域的起始位置及其影响参数。采用回归分析方法,提出了一种适用于常规风洞和脉冲燃烧风洞、能够预测自然转捩和钻石型强制转捩起始位置的转捩准则。这个转捩准则考虑了边界层外沿的马赫数、雷诺数,以及总温/壁温比、来流气体平均分子量、粗糙元高度等影响转捩位置的主要因素;当粗糙元高度为0时,强制转捩准则退化为自然转捩准则。转捩准则成功推广到X-43A进气道风洞试验,预测最大偏差约为进气道全长的13%,可以应用到工程项目的转捩预测中。     

Bump进气道设计与试验研究

对一种先进的无隔道超音速进气道(Bump或者DSI)进行了设计方法和风洞试验研究。研究表明:Bump进气道性能优异,并且取消了传统的超音速战斗机进气道设计中的附面层隔道、泄放系统和旁路系统,使得飞机阻力小、重量轻、可靠性高。Bump进气道是根据锥型流理论,采用乘波原理设计的。即用机身形面去截取锥形流场,在此范围内进行压缩面的设计,由于锥型波波后产生等熵压缩,在压缩面展向形成一定的压力梯度,将附面层排出进气道口外。     

横向射流对排气系统红外辐射影响的实验研究

为了研究横向射流注入后飞机发动机排气系统红外辐射的变化情况,设计了不同横向射流注入方案。实验探测了在喷口处注入横向射流后,排气系统在水平探测面上,3~5μm波段内的红外辐射强度。分析了排气系统的光谱辐射强度和积分辐射强度的变化情况,并结合速度分布图及红外热像图给出了解释。由于射流能够挤压尾喷流,提高主流剪切层脉动强度,强化其与冷气流的掺混,不同方案横向射流的注入,均能引起排气系统红外辐射强度的降低;在同一个探测面上,探测器能探测的红外辐射强度因不同射流方案对尾喷流的挤压方向不同而有较大差异,探测到的红外辐射由强到弱的方案依次:垂直注入、周向四股注入和水平注入;对尾喷流而言,相比于无横向射流注入状态,采用横向射流双股、单股垂直注入时,其红外辐射强度分别下降了60%,45%;横向射流双股、单股水平注入时,分别下降了5.1%,5.3%;采用周向四股注入时,下降了24.7%。     

抽吸对高超声速内收缩进气道涡流区及起动性能的影响

研究了抽吸位置和开槽形式对高超声速内收缩进气道涡流区和起动性能的影响.数值计算结果表明:在内收缩进气道下洗气流集中区域开槽对减小出口涡流区效果显著,在分离包内开槽可以以较小的流量损失来大幅提升进气道的起动性能.横纵向组合槽即T型槽的综合抽吸效率最高,相对原型进气道,设计点马赫数为6.0时在相对抽吸流量为1.01%时出口总压恢复系数提高了12.8%,畸变指数减小了37%;起动马赫数从5.2降至4.1,自起动马赫数由6.2降至4.8.      

密切曲内锥乘波前体进气道低马赫数性能试验研究

基于密切曲内锥乘波前体进气道的一体化设计方法,生成了内外流匹配的一体化三维乘波前体进气道理论构型。在几何约束条件下,完成了实用化构型设计,其总收缩比4.6,内收缩比2.0。开展了来流马赫数3.0,3.5,4.0条件下的风洞试验研究。试验研究结果表明,一体化前体进气道可以在来流马赫数3.5及以上自起动;在马赫3.5和4.0,攻角0°时,其流量捕获系数分别为0.65和0.73,最大抗反压性能分别为26倍和38倍的来流压力。本文的试验研究结果,证实了设计的一体化密切内锥乘波前体进气道能够在吸气式高超声速飞行器的低马赫数端正常工作,并具备较高的流量捕获系数。     

前体激波系重构技术及其在高超声速进气道上的应用

提出了一种激波系整体重构的激波控制技术,并对其流动机理和控制规律进行了仿真分析,继而探索了其在定几何可调进气道上的应用.研究结果表明:该激波控制方法可对前体第1级激波进行有效推动,并可减弱第2级激波强度甚至使其完全蜕化,故实现了对前体激波系的重新构造.随着二次流注入缝的角度增大,将前体激波推动至贴口状态所需消耗的二次流流量逐步减少.并且,最多消耗占主流2.04%的二次流,便可使该进气道在马赫数为5.0~6.0范围内保持贴口状态.与已有各级激波独立控制的可调进气道相比,该进气道在调节状态下的总压恢复较高、消耗的二次流较少,具有明显的优势.      

TBCC发动机涡轮进气道喷水冷却特性数值研究

对涡轮基组合循环(Turbine Based Combined Cycle, TBCC)发动机涡轮进气道进行喷水冷却是解决TBCC发动机推力不连续问题的有效方式之一。本文基于实际流场条件选取某型TBCC发动机涡轮进气道结构,对进气道内喷水冷却特性进行了数值仿真,研究飞行器不同工况下水滴的蒸发特性及喷水对来流高温空气的预冷效果。结果表明,来流空气温度降幅随水气比提高而增大,最高温降可达152.4K。水气比提高后水滴蒸发率逐渐降低,但蒸发总量仍会继续上升。相同水气比条件下,飞行马赫数越高,喷水冷却效果越明显。在Ma3.5飞行速度和水气比0.03条件下有最高蒸发率,达83.05%。喷水冷却有效扩展了涡轮模态飞行马赫数,最高能使飞行速度提升至Ma2.84,即喷水冷却扩展了TBCC从涡轮模态向超燃冲压模态转换的衔接速域。     

可调混压进气道超额定工况黏性作用理解

进气道研制在各阶段均需要好用的设计方法,第一步是用无黏波系理论设计进气道的波系和流道参数。在实际的黏性条件下,超额定工况黏性流场结构非常复杂,基于无黏波系理论的设计方法在逻辑上难以封闭,理解黏性作用的机制和后果,有可能改善无黏方法在超额定工况的适用性,或者提出黏性修正的经验指导。针对设计点马赫数为2.5的可调混压式超声速进气道超额定工况内流道入口波系设计问题,用数值模拟方法,研究理解了超额定工况黏性流场结构生成机制,与无黏设计相比,初始黏性结构(边界层、滑移层)使无黏流道流通能力下降,产生的限流反压迫使上游激波系强化、分离区与激波干扰结构调整,当流动结构产生的溢流量足够大、入流流量与当地流动结构的流通能力相匹配时,即获得新的平衡流场。喉道高度补偿和消除滑移层吞入的尝试验证了上述理解。在反压或限流制造的临界工况,存在局限于内压缩段的"初始不稳定性"(或小喘)现象,可能与滑移层在核心流的摆动范围大有关。在马赫数为3的超额定条件下,喉道补偿系数超过35%可获得期望的波系结构,临界的"初始不稳定性"消失。增大第二级压缩角,使外压缩激波与唇口激波不相交于内流道所在高度范围,消除滑移层生成条件,在相同反压条件下消除了"初始不稳定性"现象,或者说提高了抗反压能力。     

马赫数3～6宽速域内转进气道优化设计

基于对轴对称基准流场参数化研究选取半径适当小的可变中心体,再对其他设计参数进行灵敏度分析,得到设计参数对基准流场整体性能的影响规律,系数c的影响最为明显,同时各个设计参数之间耦合效应影响也很大。运用样本数据库,构建相应的神经网络近似模型并结合邻域培植多目标遗传算法对轴对称基准流场在马赫数为6时进行三目标优化,优化后的基准流场内收缩比降低了7.7%,总压恢复系数提高了2.3%,并且静压比提高了7.1%。基于此优化结果,进行内转进气道型面设计并对其在马赫数为3～6条件下黏性数值模拟,结果表明:优化后的内转进气道在马赫数为3工作时能够正常起动,在马赫数为4～6工作时,进气道有较高的压缩量,较好的流量捕获能力和总压恢复性能。      

一种超声速进气道侧壁面流场控制研究

为改善二元超声速进气道前体激波与侧壁面边界层干扰问题,提出了一种在侧壁开泄流气缝的流场控制方法并进行了数值仿真验证,然后研究了侧壁面开缝的宽度、位置、角度等典型几何参数对进气道性能的影响规律。结果表明:设计马赫数下侧壁开缝使进气道唇口角区处的溢流明显减小,进气道内通道进口流场得到改善,进气道流量系数提高2.27%,喉道截面总压恢复系数提高3.37%;在非设计状态下,进气道性能也有一定的改善。典型几何参数研究结果表明,当侧壁开缝位置位于前体斜激波位置(L=-1.4～-0.21)、开缝宽度为0.85～1.10倍当地边界层厚度时,对进气道性能的改善效果最佳,而开缝的角度影响并不明显。