流体式高超声速可调进气道流动机理及工作特性分析

针对基于二次流控制的定几何高超声速可调进气道设计概念,给出了其具体的流道实现方案,而后通过全流道仿真分析,检验了该可调进气道在马赫数4～6范围内的可实现性,获得了其工作特性,并对弯曲激波后的总压损失特性、二次流的能量获取及消耗机制等流动机理进行了专门分析。结果表明:该流体式可调进气道能够依靠自身高压驱动二次流来实现对口部波系的调节,使进气道在低马赫数下的流量系数相对于常规定几何高超声速进气道提高24%以上,总压恢复提高7%左右,且最大二次流消耗量只占了进气道捕获流量的1.6%左右。另外,虽然弯曲激波的波后总压和马赫数分布表现出了一定的不均匀性,但是其平均总压恢复系数与相同倾角平面激波相比下降不大。二次流循环流动所消耗的机械能由外部外流剪切力做功补充,而二次流注入会使当地边界层的速度型变得瘦弱,形状因子增大。

基于燃气射流控制的可调进气道数学模型研究

针对固定几何形状冲压发动机超音速进气道在高马赫数状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室或燃气发生器引入燃气喷入外压缩面和喉道,实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案。采用数值方法计算了不同马赫数工况下,喷射条件变化时进气道的性能参数。根据流场数值计算结果,采用B样条理论建立了燃气射流控制可调进气道数学模型,利用此数学模型可确定进气道外部斜激波位置以及总压恢复系数随工作马赫数和射流喷射条件的变化关系。结果表明,随着射流入射角度和射流流量增大,射流调节能力呈增强趋势。

固冲发动机射流控制可调进气道研究

针对固定几何形状固冲发动机超音速进气道在超额定状态下工作时品质降低问题,提出从补燃室引入燃气喷入外压缩面和喉道实现对进气道外压缩波系和有效喉道面积进行调节的方案,采用数值模拟方法摸索了实现调节的燃气喷射规律,验证了方案的可行性。研究表明,采用射流控制方案可实现固冲发动机进气道调节,通过调节可使外压缩波系保持封口,进气道工作在额定状态,均化了入口流场;喉部射流注入可有效减小主流的流通面积,提高内收缩比,并减小了喉道出口下壁面附面层厚度,进气道出口总压恢复提高显著。

高超声速可调进气道密封腔流动特性及泄漏规律研究

使用陶瓷晶片作为密封件对高超声速可调进气道进行密封时,密封腔内会出现受到侧板边界层影响的空腔流动。为了研究侧板边界层厚度对密封腔内流动特性和泄漏规律的影响,对不同来流边界层厚度下的密封腔模型进行了数值模拟。结果表明,密封腔内呈现出三维非对称的空腔流动结构,泄漏通道的入口压力也会受到非对称性的影响;随着边界层厚度的增加,空腔底部和密封入口处的压力降低。最后,根据空腔底板压力分布规律和泄漏通道中的流动特性,对现有的泄漏预测模型进行了修正。

中心体位置对轴对称可调进气道跨声速流动特性的影响研究

为了探究跨声速状态下轴对称中心体可调进气道的流动特性,设计了一个轴对称变几何进气道,研究了其在Ma0=1.1时不同中心体调节位置下的流场特征和气动性能,获得了其口部和泄流腔内流动特性、节流特性以及气动性能。结果表明:四个不同中心体位置的进气道在Ma0=1.1状态下呈现出3种不同的口部波系结构,分别为:全亚声速流动、“λ”波系和单道脱体弓形波。当中心体位置靠后时,进气道为混压式,入口处为全亚声速流动,肩部泄流腔始终处于正常泄流状态;当中心体位置靠前时,进气道为外压式,入口会呈现“λ”波系与单道脱体弓形波两种情况,泄流腔在低反压下为倒吸状态,而在高反压下转变为泄流状态。进气道处于外压式时在中心体一侧会产生大尺度的分离,抗反压能力相比处于混压式时略差。随着中心体前移距离的增大,进气道的流量系数和总压恢复系数都呈现不同程度的下降,其中总压恢复系数下降了14.8%,流量系数下降了7.5%。因此,对于本文研究的进气道而言,跨声速状态下其工作在混压式状态时具有较好的工作性能,其对应的较佳内收缩比为1.05。

超声速可调进气道内流双解现象及其节流特性

为研究超声速可调进气道喉道调节过程中的内流结构及节流特性,设计了工作马赫数范围为0~4的超声速可调进气道,在来流马赫数为2.9的风洞中借助高速纹影观测系统和动态压力测量系统开展了试验研究。结果表明当内收缩比(ICR)为1.79时,进气道通流流场存在设计和非设计流态的内流双解现象。其中,在设计流态下进气道内通道中的波系结构正常建立;而在非设计流态下进气道内收缩段中存在局部分离诱导的复杂波系结构,导致其整体压升高于设计流态,并存在宽频、低频的小幅振荡。此外设计和非设计流态下进气道的下游节流性能相当,其临界堵塞度分别为42.4%和41.7%,临界压比分别为15.8和16.0。在两类流态的下游节流过程中扰动均以结尾斜激波串的形式向上游传播,且临界状态下激波串头波刚好位于喉道附近,但两类流态的结尾激波串在空间分布特征和振荡特性上均存在明显区别。

组合发动机可调进气道气动性能

为使涡轮/冲压组合发动机能在宽广的飞行高度、速度内飞行,设计一种组合发动机可调进气道气动结构.编制带黏性修正激波系结构预估程序,实现不同来流马赫数及来流攻角下,进气道内激波系结构布置及强度预估,并指导进气道可调楔板尺寸选取.考虑进气道附面层抽吸后,对来流在马赫数为1.6～4.0范围内,-2°,0°和+2°三种攻角下进气道二维流场进行数值计算,流场结构与二维带黏性修正激波系结构预估程序计算结果非常吻合,得到进气道在各工况条件下气动性能,分析了来流马赫数及攻角对调节规律及进气道性能特性的影响规律.

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。

涡轮基组合循环发动机并联式进气道的气动特性

为了研究工作马赫数范围0～5的涡轮／冲压组合发动机进气道的工作特性，对一种内并联式涡轮基组合循环发动机（TBCC）变几何进气道进行了型面设计并对其二维流场进行了数值模拟。得到了进气道在各典型工作状态下的流场特征，在不采用附面层抽吸的条件下进气道在各典型飞行马赫数下均能正常起动。以设计巡航状态和过渡工作状态为例，分析了反压变化对进气道性能的影响，结果表明，进气道出口反压对进气道性能有重要影响，尤其是进气道在过渡工作状态时，两流道之间存在气动耦合效应。文中还给出了进气道气动参数随飞行条件变化的特性曲线，初步研究了影响进气道性能的主要因素，分析了该进气道在典型飞行工况下的气动性能。

一种内并联型内转进气道通道间干扰特性研究

为了研究工作马赫数范围Ma0～6的组合循环发动机进气道的工作特性,设计了一种三通道内并联型可调内转进气道,为了适应进气道能宽速域正常工作,在内转进气道的顶板压缩面上进行了变几何设计,可以调节进气道的内收缩比,兼顾了进气道低马赫数下的起动性能和高马赫数下气动性能。采用三维数值仿真的方法对进气道在过渡模态下的反压特性进行了分析研究。研究结果表明,可以通过改变隔离段反压或者涡轮通道反压的大小来调节两通道之间的流量分配和涡轮通道出口的稳态畸变;当增加涡轮通道反压时,涡轮通道的流量系数和稳态畸变会逐渐减小,而冲压通道的流量系数会逐渐增大,最大增加量约为原有流量的23.3%;当增加隔离段反压时,涡轮通道的流量系数和稳态畸变会逐渐增大,而冲压通道的流量系数会逐渐减小,最大减小量约为原有流量的29.3%。

几何结构可调的亚燃冲压发动机性能研究

液体亚燃冲压发动机结构简单、推重比高,是高动态临近空间飞行器的最佳动力装置,临近空间飞行器的飞行速度范围宽、距离远,亟需采用几何结构可调技术来提高冲压发动机的性能。本研究对具有固定、连续可调进气道和尾喷管的冲压发动机性能进行了计算和比较。结果表明,采用连续可调喷管的冲压发动机的性能大大优于固定几何结构的冲压发动机,进气道可调带来的冲压发动机性能增加远小于喷管连续可调带来的发动机性能增加。

柴油机可调进气涡流系统的研制

以1132Z单缸柴油机为平台,研制了电控可调进气涡流系统,包括可调涡流进气道、可调涡流执行机构和基于ADUC812单片机的电控单元。针对发动机的不同工况实现了进气涡流强度的最佳化控制;试验结果表明,在最大扭矩工况,发动机燃油消耗率和烟度排放明显改善。

固定壁面激波控制技术的研究进展

固定壁面激波控制技术在进气道特性调节、飞行器气动力控制等方面有着重要的应用前景,对该领域的研究进展进行了综合分析。从工作原理来看,目前的固定壁面激波控制原理主要包括局部能量添加、局部质量添加、直接力控制三大类,而具体实现方法则有多种,其中近壁等离子放电控制、分布式二次流注入控制、磁流体控制均完成了控制原理验证试验,并获得了较好的控制效果,具有较高的研究价值。并且,基于近壁等离子放电、分布式二次流注入的激波控制技术均已经完成了对应固定壁面可调进气道的风洞试验。然而,各种固定壁面斜激波控制技术离实用还有一定距离,特别是存在高浓度等离子体的低功耗产生方法、次流/主流混合边界层发展特性等基础性问题需要重点研究解决。

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.

一种多热力循环组合发动机进气道设计方案

针对马赫数0~6的预冷涡轮+冲压组合多热力循环发动机的宽范围工作要求,提出了一种在马赫数2~6范围内流量系数为1.0的宽范围轴对称进气道变几何调节方案,通过中心锥与分流板的协同平移运动,可在满足涡轮与冲压两通道流量分配要求的同时,实现两通道压缩量的匹配调节。对起始半锥角分别为20°和13°的两种变几何进气道方案开展了设计与对比研究。结果表明:起始半锥角对最终方案设计影响最大,起始半锥角为13°的进气道方案较起始半锥角为20°的方案,冲压通道和涡轮通道在来流马赫数为6时临界总压恢复分别提高了16%和14%,最大迎风面积减小了12.4%,但中心锥和分流板平移调节距离分别增加84%和91%。

高空超声速涡扇发动机喘振特征及扩稳措施的飞行试验研究

基于可调斜板式进气道及涡扇发动机,研究了飞机高空超声速减速条件下,进气道斜板板位快速调零后涡扇发动机的喘振特征,及放大尾喷口临界截面面积和提高风扇转速的扩稳措施对发动机稳定性的影响。结果表明:进气道可调斜板快速调零引起的发动机进口压力波动,会导致进气道与发动机流量不匹配,进气畸变增大;较低风扇换算转速下,进气畸变等降稳因子会导致发动机稳定裕度不足;放大尾喷口临界截面面积,提高了发动机的稳定性,喘振概率大大降低;增加最小燃油流量,提高高空发动机慢车状态风扇转速,可避免发动机进入低转速易喘振区域。

基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法

为了开展宽域冲压发动机的全流道设计工作,将双模态冲压发动机等效热力过程分析方法拓展到全流道设计,建立了基于等效热力过程的宽域冲压全流道性能设计方法。将该方法应用于带几何可调进气道的宽域冲压发动机全流道方案设计,分析了进气道调节、燃烧室尺寸对发动机性能潜力的影响。研究结果表明:马赫数2.0~3.5范围,在比冲和流量2个因素之间,流量对发动机推力性能影响更大,所以在低速段应尽力增大进气道流量;与第2级转折角相比,第2级折转角对比冲和推力的影响权重更大,采用较小的2级折转角有利于提高性能;获得最优推力和比冲性能需要不同的进气道方案。在所研究的马赫数范围,燃烧室需用面积相差很大,飞行马赫数越低、需用面积越大。若以低马赫数的高推力要求为设计依据,需要付出横向尺寸的代价,意味着阻力和重量的增大;若以高马赫数的高推力要求为选择依据,需要在低马赫数时付出推力性能的代价,意味着加速时间和耗油量的增大。本文发展的方法可以快速筛选获得最优推力性能或比冲性能的全流道方案,为宽域高性能冲压发动机的全流道性能初步设计提供有力支撑。

图解美国空军F-15A“鹰”式战斗机

F-15"鹰"式战斗机,是一款美国开发生产的全天候、高机动性的战术战斗机,是由1962年展开的F-X计划发展出来。按照原先的欧美标准被归类为第三代战斗机(现在已和俄罗斯标准统一为第四代战机),与F-16,美国海军的F-14、F-18同属一代。第一架单座F-15A在1972年7月首飞。F-15A采用固定式切角三角形上单翼,不带前缘和后缘机动襟翼。采用两台普拉特·惠特尼公司F100-PW-100加力式涡轮风扇发动机,单台最大推力72.5千牛(7400千克),加力推力111.1千牛(11340千克)。