脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。

主动流动控制增大高超飞行器来流捕获量研究进展

高超声速进气道来流捕获量是确保进气道起动的重要因素,而在实际飞行环境中很难使捕获量达到设计值,总结了国内外研究团队通过实验和数值方法,对磁流体控制进气道斜激波位置、虚拟唇口增大进气质量流量、表面放电形成等离子体用于高速气流控制等方面进行的研究。他们对设计方案进行了不断地优化,并取得了增大进气道来流捕获量主动流动控制方法的重大进展。

不同来流马赫数下激光能量形成高超声速进气道虚拟唇口的特性

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。

高重频激光能量注入提高进气捕获率的数值研究

针对来流马赫数低于设计值时,吸气式冲压发动机进气道进气捕获率降低的问题,在唇口上游沉积高重频激光能量使气流偏折以提高进气捕获率。在马赫数为5.0、静压和静温分别为2 551.6Pa和116.7K的条件下,通过求解二维非定常可压缩RANS方程,数值研究了高重频激光能量注入提高进气捕获率的作用机制,通过在预想最优能量沉积点附近寻优的方法确定了最佳的能量注入点,结果表明:在该位置沉积频率100kHz、平均功率500W的激光能量形成的虚拟唇口可以使来流捕获率由63%提高至97%。结果证明了高重频激光能量注入提高进气捕获率的潜在应用价值,并为能量注入位置的优化选择提供了方法。