后掠唇口对二元高超声速进气道起动特性的影响研究

为深入探究唇罩侧板后掠对二元高超声速进气道起动性能的影响规律,采用风洞试验与三维数值模拟分析相结合的方法,对比分析了侧板不同后掠状态下的不起动流场特征,细致地研究了后掠角度影响进气道起动的流动机理。研究结果表明:唇罩后掠能够提高进气道的起动能力,来流Ma=5.0和Ma=4.0时,进气道的最小起动后掠角分别为75°和82.5°。Ma=5.0来流条件下,不起动的分离包前缘形态在一定范围内基本不受后掠角影响。唇罩后掠角度增大时主要通过侧板的展向溢流,改变分离包的位置及形态,进而通过降低分离包内的逆压梯度来影响进气道的起动性能。

一种基于横向压力控制的前体流动特性分析

为了探究前体构型对进气道气动特性的影响,在相同的压缩角度及几何长度下,设计了升力体前体和类乘波体前体两种构型方案。就不同构型对前体/进气道气动特性的影响开展了三维数值模拟研究,并与进气道二维流动进行了对比分析。结果显示,相比于进气道二维流动,三维升力体和类乘波体前体构型在设计状态和不同来流攻角下均存在一定的横向压力梯度,导致进气道流量捕获能力降低,与二维流动差异较大,前者流量系数下降20.3%,后者下降9.0%。相比较而言,类乘波体前体在流量捕获能力及升阻比等方面性能更优。增大类乘波体前体宽度比和前缘角度,可以减小前体横向压力梯度,提高前体/进气道的流量捕获能力,前者提高了升阻比,而后者则降低了升阻比。

基于圆锥截线的高超前体气动设计及特性分析

为了探究前体典型几何参数对高超声速前体/进气道气动特性的影响,在相同的前体外压缩角度和几何长度下,对基于圆锥截线参数控制横向截面的高超声速前体流动特性开展了三维数值模拟分析。采用控制变量法研究了高超声速前体宽度比、形状参数、形状角度参数以及水平半宽控制曲线次数对高超声速前体/进气道气动性能的影响。结果显示:上述四个几何参数对前体横向压力梯度的构建均产生一定的影响,导致前体横向溢流,进而影响前体/进气道的气动性能。增大前体宽度比、形状参数、水平半宽控制线次数,减小形状角度参数,可减小前体展向压力梯度及横向溢流,提高前体/进气道流量捕获特性,在本文研究范围内,上述参数变化对应的前体/进气道流量系数分别增加了25.1%,13.7%,20.3%及12.2%。

马赫数范围为0~4混合并联二元弯曲压缩进气道设计及试验研究

采用内外压缩型面可控的弯曲压缩进气道反设计方法,设计了一种新型混合并联式二元弯曲压缩进气道,重点针对进气道模态转换过程及冲压单独工作条件下进行了数值仿真及试验研究,获得了进气道宽速域性能,结果也表明新型混合并联式弯曲压缩进气道具有较高的综合气动特性,冲压工作状态马赫数为4、攻角为3°时总压恢复0.5以上,马赫数为3、攻角为3°时总压恢复0.75以上,涡轮工作状态马赫数为2、攻角为3°时总压恢复0.88以上,综合畸变指数小于5%,满足宽速域进发匹配需求。

Ma4内并联TBCC发动机匹配设计与模态转换性能分析

由于发动机自身工作能力的限制,要想获得最大的发动机性能,在不同的飞行马赫数下,对应不同的发动机形式,因此为了达到宽马赫数飞行的目的,在不同工作区间采用不同发动机进行工作的组合循环发动机应运而生。涡轮基组合循环发动机(TBCC)作为组合动力的一种,采用涡轮发动机与冲压发动机组合的形式,可以在未来作为远程高速飞行器和可重复使用2级入轨(TSTO)飞行器的第1级动力,有广阔的使用前景。作为宽速域内工作的TBCC,模态转换是实现TBCC发动机宽马赫数工作必须解决的关键技术问题之一。针对Ma4速域TBCC发动机,建立了相应的涡轮发动机与亚燃冲压发动机并联模型,通过考虑2种发动机的设计点与非设计点工作条件,对模态转换马赫数进行了选择,并基于保持固定流量这个前体条件,给出了相应的并联TBCC模态转换控制过程。基于建模并联模型,初步确定了采用涡轮与亚燃冲压动力的TBCC发动机的可行性,在合适的匹配条件下,TBCC组合动力可以满足飞行器的推力需求。

宽速域组合动力TBCC新型三维内转式进气道设计分析

基于特征线理论自主开发了新型变中心体内转式进气道设计软件,设计了一种Ma06宽速域组合动力TBCC三维内转式进气道,并开展了分析。数值仿真结果表明,进气道在冲压单独工作状态性能优良,共同工作时,涡轮通道性能欠佳。后续有必要改进设计方案,采取流动控制措施调节措施,改善进气道起动问题及提高涡轮通道性能。

二元高马赫数进气道的起动特性数值研究

采用数值模拟方法,研究了不同内收缩比二元高马赫数进气道的起动特性。研究发现:内收缩比影响进气道的加速起动特性,内收缩比越大,加速自起动马赫数越大,加速过程中,大内收缩比性能参数只有1次阶跃,而小内收缩比构型性能参数存在2次阶跃;相同来流条件下,隔离段出口反压对具有不同加速自起动能力的进气道影响不同,来流马赫数高于加速自起动马赫数的进气道,反压引起进气道不起动后可以再起动,来流马赫数低于加速自起动马赫数的进气道,反压引起进气道不起动后无法再起动,且抗反压能力严重下降。不起动状态下的进气道对出口反压十分敏感,给定出口反压边界条件的模拟方法很难获得稳定的不起动流场。

二元弯曲压缩进气道变攻角起动试验

开展了内外压缩型面可控的弯曲压缩进气道反设计方法研究,并针对设计的二元弯曲压缩进气道进行了不同马赫数下变攻角起动数值仿真及试验研究,获得了进气道起动攻角迟滞环,仿真与试验得到的不起动/自起动攻角、出口流场以及压力分布吻合良好,同时试验结果也表明设计的弯曲压缩进气道具有较高的综合气动特性,设计点Ma=4、α=3°抗反压能力70倍来流压力以上,总压恢复系数在0.5以上。

飞行动压及迎角对双模超燃冲压动力飞行器性能的影响

作为目前高超声速飞机在马赫数4~8区间飞行速域内唯一可选动力,双模态超燃冲压发动机可以提供可观的比冲与推力。由于高超声速条件下的强耦合作用,飞机与发动机相互影响明显。考虑了对双模态冲压发动机与机体的共同作用,构建了在不同动压和马赫数飞行条件下的计算程序,给出了不同飞行包线工况下,飞行器前后体及迎角影响下的双模态冲压发动机性能分析及影响。研究发现,基于固定流道面积定几何冲压发动机及30 m长的飞行器,随着飞行动压增加,飞机与发动机的净推力总体增加,且在Ma 4时,净推力最大;随着飞行迎角增加,飞机净推力在0°迎角最大,在Ma 4以上有更好的加速效果。