串联式TBCC进气道模态转换模拟器设计及其特性分析

为了实现涡轮基组合循环(TBCC)推进系统平稳模态转换过程的模拟,在前期风洞试验研究的基础上对串联式TBCC进气道模态转换模拟器进行重新设计。采用线性化及非对称的思路对该模拟器进行设计并对其特性展开数值仿真研究。结果表明:该模拟器不仅需要模拟发动机工况改变引起的背压变化,而且能通过流通截面面积线性变化,实现两个通道的流量分配。该装置的特点是能保证模态转换过程中每一点的涡轮/冲压通道的总堵塞比不变,使本文所研究的进气道在总堵塞比保持为65%时进行模态转换,结尾激波基本维持在喉道等直段内且进气道出口马赫数基本维持在0.30,流量系数基本为0.45,涡轮/冲压通道流量呈线性变化,与预期目标一致。

三维内并联TBCC进气道模态转换过程气动特性研究

对一种典型的三维内并联TBCC进气道在模态转换过程中的稳态气动特性进行了数值模拟,探索了分流板分别处于冲压通道关闭、模态转换初始位置、涡轮通道关闭以及中间位置上时进气道的气动性能。重点分析了进气道出口的马赫数、流量、总压恢复系数、畸变指数等参数随出口反压的变化规律。结果表明:冲压通道和涡轮通道各自内部的结尾激波被推出分流板以前,通道出口反压变化对另外一个通道出口参数的影响较小;但是由于其中一个通道的结尾激波的变化,可能会在出口反压增加到某一数值后,另外一个通道的畸变指数发生突增。研究结果可以为TBCC进气道模态转换过程中的性能分析提供方案参考。

TBCC发动机用二级混压式进气道压缩段设计方法研究

为了适应TBCC发动机宽马赫数进气需求,基于Oswatitsch的最佳波系理论和CFD技术,考虑变比热、激波与附面层干扰等因素的影响,分别选取飞行马赫数Ma=4,高度H=21300m和飞行马赫数Ma=6,高度H=26600m为设计点,对TBCC发动机二级混压式进气道进行了初步设计,分析并比较了两种方案进气道的设计点和非设计点性能及二维流场。计算结果表明:不考虑粘性影响,本文设计的进气道能够满足沿飞行轨迹的TBCC发动机性能要求,具有良好的内外流特性。

一种Ma0～4 TBCC进气道气动设计及性能分析

从TBCC推进系统总体性能需求出发,给出了TBCC进气道捕获面积以及模态转换马赫数确定过程。在此基础上开展基于平动式模态转换装置的马赫数0～4内并联TBCC进气道气动方案设计,给出了进气道单自由度几何调节机构方案及其几何调节规律。通过对涡轮通道典型几何参数的规律化研究,结果表明:方转圆段几何长度、中心点ym值以及面积变化规律对进气道出口总压恢复系数及马赫数影响较小,对进气道出口流场的均匀度影响较大;就研究的进气道而言,选取方转圆段几何长度为3m,中心控制点ym=1.5,沿程截面面积变化规律为"先急后缓"的设计较为适宜;Ma=4.0时,设计的TBCC变几何进气道总压恢复系数为0.45,Ma=2.2时,总压恢复系数和畸变分别为0.79和0.15。

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。

外并联式TBCC进气道模态转换风洞试验及模型典型影响因素分析

开展了外并联式TBCC进气道典型模态转换条件下的气动特性风洞试验研究,获得了其主要气动性能参数,并验证了所采用的CFD方法的基本可靠性。以CFD为主要手段,针对该TBCC进气道模型开展了侧板缝隙、前缘钝化以及内型面迎风台阶3方面加工偏差对进气道气动性能影响的研究。结果显示:分流板与侧板之间的缝隙导致了高、低速通道之间的窜流,在缝隙为0.5mm时,高速通道总压恢复系数增加量可达2.13%,同时流量系数增加2.27%,这对进气道气动性能的评估产生了影响,模型侧板缝隙应小于0.5mm;在一般加工精度(0.3mm)下,前缘钝化半径对进气道气动性能的影响较小,进气道性能参数基本保持不变;在一般装配精度(0.5mm)下,内型面迎风台阶对进气道流量系数基本无影响,进气道总压恢复系数的减小量小于0.44%,能够满足进气道气动性能的评估要求。

攻角对TBCC进气道模态转换起动特性影响研究

在来流Ma3、攻角为10°、8°、6°的条件下,采用动网技术对外二元并联TBCC进气道在模态转换过程中冲压通道的流动特性进行瞬态数值模拟。结果表明:来流在一定攻角条件下,模态转换过程中冲压通道的不起动/再起动存在迟滞现象,且冲压通道的性能参数存在迟滞回路;来流攻角越大,冲压通道不起动时分流板的位置越靠前,迟滞回路前移,冲压通道出口流量系数整体增大,出口马赫数和总压恢复系数整体减小;冲压通道的等熵极限与Kantrowitz极限内收缩比不一致,在模态转换过程中,冲压通道内收缩比变化先后经过2个极限值导致了迟滞现象。

内并联式TBCC进气道分流板流固耦合分析

TBCC内并联式进气道有共用的气流捕获进口和内压缩段,气流经过内压缩段后,再分为2路,分别流向涡轮发动机压气机和冲压发动机燃烧室,本文以内并联式TBCC进气道分流板为研究对象,研究在进口马赫数为2.5,分流板分别在0°和-3°位置时的流固耦合动态特性。为了简化计算模型,本文分流板的模型为实体模型,材料选定为45钢,不考虑重力和壁面传热的影响。仿真结果表明:(1)分流板呈现超声速颤振现象;(2)分流板位置为-3°的最大应力值较0°位置时增加了18.6倍,参考点Tip-Point y方向的最大位移增加了18.94倍。流固耦合分析可以更加真实的研究TBCC进气道分流板实际工作中的动态响应现象,为工程设计提供一定的技术参考。

国外TBCC发动机进气道设计和试验研究综述

跟踪研究了国外涡轮基组合循环(TBCC)发动机进气道技术的发展和应用现状,列举了典型的进气道设计方案,总结了TBCC发动机进气道的关键技术,如模态转换技术、不同工作模式匹配技术、流场控制技术以及一体化技术。TBCC发动机进气道需开展大量试验研究以突破技术瓶颈,国外针对性地开展了相关试验,并取得一定成果。二元可调进气道和三维内转式进气道,是TBCC发动机进气道的主要发展方向。

串联式TBCC后涵道引射器设计

对串联式TBCC发动机后涵道引射器开展了气动流道设计及模型试验研究,并通过数值计算与模型试验结果对比确定了后涵道引射器的性能特性。研究结果表明,背压降低,涵道比增大,总压恢复系数降低;内外涵总压比增大,涵道比和总压恢复系数呈降低趋势,总体匹配应避免内外涵压比过大;开度对涵道比有明显影响(开度越大,涵道比越大),但对总压恢复系数影响较小。后涵道引射器方案可以实现涵道比0.2以上、总压恢复系数不低于0.95,在满足此性能要求下调节机构应实现最大开度不小于10.0 mm。

TBCC进气道涡轮通道扩张段设计及涡轮模态特性

采用拓展中心线、不同的流通截面面积变化规律和倒圆半径变化规律对内并联型TBCC（turbine based combined cycle engine）进气道涡轮通道扩张段进行了设计．通过数值模拟的手段，对涡轮通道扩张段设计参数的影响规律和涡轮模态下涡轮通道扩张段的气动特性进行了研究，并利用高速风洞试验结果对数值模拟方法进行了验证．研究结果表明：中心线控制点纵坐标在1．50～2．25、涡轮通道扩张段出口等直段长度与出口直径比值在0．3～0．7的范围内取值时，涡轮通道扩张段可获得较高的出口总压恢复系数和较小的出口总压畸变指数；采用前急后缓的流通截面面积和倒圆半径变化规律能使涡轮通道扩张段获得较小的出口总压畸变指数；随着飞行马赫数的增加，进气道和涡轮通道扩张段的流量系数先不断减小，在飞行马赫数为0．9附近达到最小，之后又逐渐增加，涡轮通道扩张段出口总压恢复系数不断升高，在飞行马赫数为0．7附近达到最大，之后又逐渐降低；涡轮模态下，涡轮通道扩张段出口总压畸变指数均小于0．5，能很好地满足涡轮发动机对进口流场的要求．

并联TBCC可调进气道并联方案

对并联涡轮基组合循环(TBCC)可调进气道并联方案进行了归纳分析,提出了一种分类方法和两种并联方案。对4种典型并联方案在马赫数为2.5的模态转换工况进行了稳态仿真分析。结果表明:后开纯内并联方案在模态转换过程中总流量变化很小,其余3种的总流量系数随着涡轮通道的关闭都是逐渐减小的,涡轮通道流量系数逐渐降低,冲压通道升高。4种方案冲压通道流量系数在模态转换过程中均是逐渐升高的,后开纯内并联方案具有最低的冲压通道平均流量系数,变化幅度最大,其余3种方案变化幅度均较小。前开纯外并联和混合式内并联两种方案的涡轮通道出口总压恢复在模态转换过程中呈减小趋势,另外两种方案的总压恢复呈略微增大趋势,其中前开纯外并联平均总压恢复最低,而混合式内并联方案的平均总压恢复最高。

一种内转式TBCC进气道气动设计及分析

提出了一种基于内转式进气道利用二元楔板转动的TBCC进气道可调设计方法及方案,进气道采用平动式模态转换装置,并对其不同来流马赫数及模态转换过程的气动特性开展了三维数值模拟分析,同时探究了进气道方转圆扩张段典型参数对进气道性能影响。结果显示:给出的可调进气道变几何方案解决了高马赫数气动性能与低马赫数起动性能的兼容问题,平动式模态转换装置保证了涡轮通道与冲压通道流量的线性过渡,方转圆段面积变化规律对本文进气道性能影响较小,中心线变化规律对进气道性能影响较大,其中对出口畸变影响显著。该方案有很好的工程实现性,本研究可为此类内转式TBCC可调进气道研制提供参考。