表面微沟槽对压气机叶栅气动性能的影响

为减小叶型损失,在压气机叶栅叶片表面布置沿流向的对称V形微沟槽,采用数值模拟方法研究了沟槽宽度和顶角、沟槽间隔、沟槽覆盖范围、进口湍流度以及来流马赫数对叶栅气动性能的影响。结果表明,总压损失降低主要由吸力面沟槽产生,合理匹配沟槽几何参数、覆盖范围以及来流条件,可实现较优的减损效果。对吸力面局部带沟槽结构,相同冲角下无间隔沟槽的减损效果优于有间隔沟槽的减损效果,当无间隔沟槽顶角度为60°时减损效果最优;相同沟槽结构的减损效果与冲角相关。来流湍流度增加使得相同冲角下光滑叶片和带沟槽叶片的总压损失增大,相同沟槽结构在同一冲角下的减损效果及最优减损效果对应的冲角受来流湍流度影响。冲角不变时相同沟槽结构的减损效果随来流马赫数增大整体呈下降趋势,最佳减损效果对应的无量纲沟槽宽度和具有减损效果的无量纲沟槽宽度范围不同。当保持沟槽无量纲宽度不变和沟槽其它参数不变时,不同来流马赫数条件下的最佳减损效果及其对应的冲角不同,较低来流马赫数条件下最佳减损效果更突出。微沟槽能够减小壁面平均剪切应力和湍动能,降低湍流边界层损失,同时能够推迟边界层流动分离,使得叶型损失降低。

二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度研究

为了研究内收缩比和来流马赫数对二元超声速混压式进气道亚临界稳定裕度的影响规律及失稳机制,采用二维非定常仿真方法研究了内收缩比(ICR)为1.04~1.25的进气道在来流马赫数Ma0为2.4的条件下,以及内收缩比为1.08的进气道在来流马赫数为2.2~2.8条件下,其由稳态向失稳状态转变的过程。研究结果表明:(1)当Ma0=2.4时,在1.04≤ICR≤1.12内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度ζ减小;1.16≤ICR≤1.25内,随着ICR增加,亚临界稳定裕度增大。(2)在内收缩比为1.08的条件下,马赫数变化引起的分离激波角和分离包再附压升两个关键因素变化共同主宰着进气道亚临界稳定裕度的变化趋势。(3)总体上,根据稳定亚临界初始状态的三相点无量纲高度?b是否大于1可将进气道的亚临界稳定裕度变化情形分为两类,当?b<1时,ζ随着?b的增加而减小;当?b> 1时,ζ随着?b的增加而增加。

马赫数分布可控轴对称进气道多目标优化设计

针对马赫数分布可控的曲面压缩轴对称进气道,对外压段和内压段所有设计参数进行灵敏度分析,获得了设计参数对进气道性能和几何参数的影响规律,其中前缘半锥角δc对进气道长度L的影响最大且为负效应,系数b和c以及唇口内角ω对性能参数影响较为明显。在此基础上建立代理模型进行三目标优化,得到了综合性能较优的轴对称进气道。与基准进气道相比,优化进气道在长度缩短11.2%的基础上,在整个工作范围内具有更高的压缩效率和低马赫数流量捕获能力。Ma4.0~7.0范围内喉道总压恢复系数最大提升19.2%,Ma4.0时流量系数相对提升了6.54%。

不同入口马赫数对超燃冲压发动机尾喷管的性能影响研究

针对采用多目标优化方法设计的超声速燃烧冲压发动机非对称喷管,采用RNGk-ε湍流模型和有限体积方法数值求解有组分的守恒形式Navier-Stokes方程,数值模拟喷管不同入口马赫数条件下的喷管流场和性能。计算结果表明:喷管入口马赫数的变化会对喷管内流参数带来一定影响,导致喷管的推力和升力同时增大或减小,飞行器的配平性能可能会受到一定影响。

马赫数2.5～7.0的二元变几何进气道设计

针对RBCC发动机Ma=2.5~7.0的宽范围工作要求,提出了一种部分顶板转动+唇口平移的二元进气道变几何方案,并通过数值仿真对其总体性能和调节方法进行了研究。结果表明:采用激波依次封口设计概念的变几何进气道在高低马赫数下的总体性能较优,尤其具有良好的流量捕获能力。转动部分顶板的变几何方案拓宽了进气道工作范围,向后平移唇口可以实现超额定工况的起动和Ma=2.3的自起动。变几何进气道的调节方法简单、工程应用可行。

影响高超声速进气道起动能力的因素分析

对一系列不同收缩比、不同波系配置的内压缩通道二维流场进行了数值模拟。研究了面积收缩比、飞行高度和来流攻角对高超声速进气道起动性能的影响,提出了进口起动马赫数和来流起动马赫数的概念。研究表明,当进气道收缩比增大时,进气道的进口起动马赫数增大;来流起动马赫数由外压波系强度和进口起动马赫数决定,所以来流攻角变化改变外压波系强度,从而改变来流起动马赫数;随着飞行高度的增加,来流起动马赫数和进口起动马赫数增大,造成这一变化的原因是飞行高度不同,来流雷诺数不同,造成收缩段进口截面附面层厚度不同。

扩压叶栅最佳弯叶片生成线与进口马赫数之间的关系

为了研究扩压叶栅最佳弯叶片生成线与叶栅进口马赫数之间的关系,用优化的方法,在八个不同进口马赫数下对弯叶片生成线(积叠线)的弯角和弯高进行优化,优化的目标函数为叶栅总压损失系数。结果表明:在同一弯角下,弯叶片总压损失系数随弯高的增大而减小,弯高为50%时总压损失系数最小,最佳弯叶片生成线的弯高为50%。在同一弯高下,总压损失系数随弯角增大呈现类似抛物线的形式的变化规律,存在着一个最佳弯角使总压损失系数最小。在不同进口马赫数下,最佳弯角随着进口马赫数的增加而增大,通过三次多项式曲线拟合得到了一个相对准确的最佳弯角与进口马赫数之间的关系。

TBCC发动机用进气道设计及沿飞行轨迹斜板角度优化分析

基于Oswatitsch的最佳波系理论、Kantronitz准则和CFD技术,开展了TBCC发动机用二维混压式几何可调进气道的设计研究。基于一维气动热力学理论和CFD技术,完成了沿飞行轨迹斜板角度的优化和典型工作点上进气道特性的计算。计算表明,基于一维气动热力学理论、Oswatitsch最佳波系理论、Kantronitz准则和CFD技术,且有附面层抽吸设计的进气道能够满足沿飞行轨迹的TBCC发动机性能要求,并具有良好的内外特性。

型面设计马赫数对马赫数分布可控高超声速内收缩进气道的影响

在研究型面设计马赫数Ma2对马赫数分布可控基准流场在Ma∞=4．0～7．0的性能影响中发现，降低型面设计马赫数可获得更高的流量系数、高马赫数时的增压比以及更短的长度。基于型面设计马赫数Mai=5．5，6．0和6．5的基准流场分别设计了圆形进口的内收缩进气道，并在Ma∞=-4．5～7．0时进行数值模拟。结果表明：基于低型面设计马赫数基准流场设计的进气道具有更好的流量捕获特性和较高的增压比，这与基准流场变化规律基本一致。型面设计马赫数对出口总压恢复系数影响较小。

超声速轴对称进气道流场的数值模拟

利用有限体积法求解二维轴对称可压缩N-S方程,对超声速弹用进气道内外复杂流场进行了数值模拟,数值格式为二阶迎风格式,所得流场结构清晰。研究结果表明:随着来流马赫数的增加,总压恢复系数随之下降,稳定工作范围增大,同时流量系数逐渐增大,在激波贴口后流量系数基本保持不变;在同一来流马赫数的超临界状态下,随着进气道出口反压的提高,结尾正激波向喉道方向移动,结尾激波损失减小,总压恢复系数提高,进气道出口马赫数减小,出口流场畸变程度降低。

隔离段对二维混压式进气道出口参数的影响

利用Fluent仿真软件,对二维混压式高超音速前体/进气道在设计状态和非设计状态下的性能和流场进行了计算。分析表明,进气道在设计状态下的性能得到了明显的提高。同时,有无隔离段以及隔离段长度对进气道出口参数的影响,文中进行了初步的分析,结果表明:有无隔离段以及隔离段长度对进气道出口总温没有太大的影响;隔离段较短时,进气道出口总压比无隔离段小,但当隔离段长度增大到一定值后,进气道出口总压比无隔离段大;隔离段较短时,进气道出口马赫数比无隔离段大,但当隔离段长度增大到一定值后,进气道出口马赫数比无隔离段小。

短突扩扩压器压力特性的数值研究

短突扩扩压器的性能好坏直接影响到短环燃烧室的总体性能 ,压力特性是扩压器性能最重要的衡量指标。为了进一步深入地研究 ,采用三维数值模拟的方法 ,探讨了短突扩扩压器前置扩压器进口马赫数、突扩角和突扩间隙等参数与压力损失间的变化关系 ,并与试验结果进行了比较。计算结果表明 :在本研究的参数范围内 ,总压损失随进口马赫数的增大而变大 ;存在有最佳的内外环突扩角的组合 (βi=40～ 45°,βo=40～ 5 0°)及相对突扩间隙 (δ=1 .48～ 1 .9) ,使得总压损失系数 σ*最小。数值模拟的结果与试验相比 ,其变化规律是相同的 ,最小总压损失系数所对应的各结构和流动参数的范围与试验也是一致的。

壁面马赫数分布规律可控的新型内收缩基准流场设计方法

根据有旋特征线理论,设计出了沿程马赫数下降规律可控的轴对称基准流场,分析了基准流场的几何参数(前缘压缩角及中心体半径)的影响规律,发现选取较小的前缘压缩角和中心体半径有利于得到性能优良的基准流场;然后在设计状态Ma=6时研究了三种典型的马赫数下降规律对这种轴对称流场性能的影响。最后考虑了粘性的影响,并进行了粘性修正探索,结果表明,采用附面层位移厚度修正方法后,基准流场的壁面压力分布和无粘情况吻合良好。

挡板对四模块可调进气道特性的影响

针对RBCC发动机Ma=2．5～7．0宽范围工作要求，设计了顶板部分可调的四模块二元变几何进气道，并研究了挡板对其总体性能和流场结构的影响。数值计算结果表明：进气道整个工作范围内，鬯、体性能较优，特别是流量捕获能力。带挡板时进气道流场基本保持了二维特征，不带挡板时『呵川具有明显的三维特征，压缩效率降低，流量系数显著下降。带挡板时进气道左／右模块性能摹本相等，不带挡板时左／右模块差别明显，与右模块相比，左模块基本保持了二维流动特征，压缩效率明显更高。

气化煤油与乙烯超声速燃烧特性对比

为了研究燃料成分变化对超燃冲压发动机燃烧特性的影响,以气化RP-3(中国3#航空煤油)和乙烯为燃料进行了一系列直连式燃烧试验。模型燃烧室入口参数为Ma=2.92,3.46,总温Tt=1430K。基于点火延迟时间、燃烧室壁面静压分布、推力增益和比冲,对比分析了两种燃料的超声速燃烧特性。结果表明,化学活性更高的乙烯比气化煤油具有更高的燃烧性能和燃料利用效率;Ma=2.92,当量比φ≈0.60和1.06时,乙烯的比冲比气化煤油分别约高15%和7.2%;当Ma增加到3.46时,相当的当量比下乙烯和气化煤油之间的比冲差距稍有扩大,约为18%和9.6%。燃烧室入口马赫数和当量比等工况参数对发动机燃烧特性有显著影响。燃料成分对发动机燃烧特性的影响随当量比的提高而弱化,但对燃烧室入口马赫数不敏感。

煤氧喷枪中心氧管参数之间的关系

利用等截面管中氧气射流理论公式对影响煤氧喷枪中心氧管氧气流动的主要参数进行计算。计算结果表明：氧气出口马赫数及氧气入口压力与氧管内径、氧气流量、炉内操作压力以及氧气入口温度等因素有关。同时推出计算氧气出口马赫数和氧气入口压力的显式函数公式：Ｍ２＝Ｑ０．８９６３９Ｔ０．４２４８５１ｐ０．８７３３４３Ｄ１．８２７１２×４．３４００７×１０－８ｐ１＝Ｔ０．４９１７９１ｐ０．１３６８１３Ｌ０．３０６４７Ｑ０．８５３５１Δ０．０８０３４Ｄ２．０７７９２×４．

整体式粒子分离器性能的试验研究

为了探索整体式进气粒子分离器(IPS)分离效率的变化规律,针对两种具有不同型面曲率的整体式粒子分离器的三维结构模型开展试验,重点研究了主流路流量、扫气比(SCR)、进口马赫数、进口砂粒浓度和分离器间距对粒子分离器性能的影响规律。实验结果表明:(1)对于不同粒径砂粒,两种模型分离效率均出现随着主流路流量增大而减小的趋势,其中在主流路流量相同的情况下,型面变化平缓的模型分离性能要优于型面变化剧烈的模型;(2)两种整体式粒子分离器模型的分离效率均随扫气比的增大呈现先增大后减小的变化,且这种规律与砂粒粒径无关;(3)随着进口马赫数的增大,两种整体式粒子分离器模型分离效率均仅出现小幅度减小,但在同一进口马赫数下,两种模型分离效率差异显著,最大达到6.54%;(4)采用C级砂时,可以认为粒子浓度对粒子分离器的分离效率没有影响;(5)当分离器轴向间距减小或径向偏离轴线间距减小时,粒子分离器模型的分离效率将出现不同幅度增大。

内置中心支板的RBCC变几何二元进气道设计与数值模拟

针对使用RBCC发动机作为第一级动力的两级入轨飞行器，提出了一种内置中心支板的可变几何二元混压式进气道方案。该进气道工作马赫数范围0—7，设计点Ma=5。通过调节唇口外罩角度以及喉部的高度，可改变进气道的几何构型。数值模拟结果表明：（1）该进气道通过采取变几何和吸除措施能够在Ma=2．4下实现自起动，为引射模态向亚燃模态转级提供了必要条件；（2）采用变几何措施可显著拓宽进气道在起动状态下正常工作的马赫数范围；（3）亚燃和超燃模态典型马赫数下，进气道出口各项性能指标适中，可以满足RBCC发动机燃烧室对进口空气参数的要求；（4）通过变几何调节，还可提高进气道的抗反压能力。

高速进气道低马赫数不起动特性及马赫数影响规律

为了探究进气道低马赫数不起动时的振荡特性,本文结合一体化前体/进气道构型,通过非定常仿真手段,对比研究了来流马赫数变化对进气道低马赫数不起动振荡流场以及飞行器气动力的影响规律。结果表明:低马赫数不起动时出现了稳定的振荡周期,且周期随着来流马赫数的增大而增长。由于拥塞发生在喉道处,其振荡流场单纯地表现为口部分离包的涨大和缩小,并且沿程压力的均值和幅值都呈现出喉道高两头低的分布趋势,而马赫数的增大会加剧此趋势。喘振周期中升力系数CL和阻力系数CD的变化趋势大致相反,升阻比曲线则表现为随分离包吐出而增大、吞入而缩小的趋势。CL和CD随着马赫数增大是整体下降的,但是脉动幅值变化不大,升阻比对马赫数的变化也并不敏感。此外,在进气道实现自起动过程中,当喉道瞬时流量高于起动时的流量一定程度,口部分离包将完全吞入。但定常仿真难以准确模拟该吞入过程,因此定常仿真得到的自起动马赫数偏高。

隔板对二元高马赫数进气道自起动性能的影响

前伸隔板能够大幅提升高马赫数进气道的自起动性能。为了进一步获得前伸隔板关键设计参数对二元高马赫数进气道自起动性能的影响机制,针对一种低外阻二元高马赫数进气道,利用数值仿真研究了不同相对位置和前缘上切角的隔板构型下进气道的自起动过程。结果表明:上子通道在起动之前维持超声速不起动流场结构并且率先实现起动,有利于整个进气道自起动性能的提升;在研究范围内,随着隔板相对位置的增加,进气道自起动马赫数先减小后增大,而在基准位置改变隔板前缘切线角度,进气道自起动马赫数则变化较小;使进气道具备优良自起动性能的隔板相对位置区间和隔板前缘上切角区间均较宽,对应的上子通道和下子通道内收缩比的比值落于0.797~1.043。