高马赫数V字形钝化前缘平板表面压力特性

针对三维内转式进气道V字形唇口下游面临的严酷压力载荷问题,将唇口简化为V字形钝化前缘平板,在来流马赫数为6的条件下,采用数值模拟结合激波风洞压敏涂料测量方法,研究了V字形根部倒圆半径R与前缘钝化半径r之比(R/r=0~20)的平板表面压力演化特性。结果表明,随着R/r增大,V字形钝化前缘产生的三维波系结构发生变化,引起下游平板表面压力演变出4种类型。R/r较小时,V字形钝化前缘激波干扰产生的大范围流动分离,诱导形成了偏离中心线较远的分叉状高压区(TypeⅠ,分叉型);随着R/r增大,流动分离减弱,分叉状高压区逐渐消失,由透射激波扫掠壁面所形成的条带状高压和超声速射流对撞所形成的中心线高压区逐渐显露,依次出现过渡型(TypeⅡ)、严酷型(TypeⅢ)和渐匀型(TypeⅣ)压力分布。平板上分叉型和过渡型的压力最大值仅为4.3~7.2p∞(p∞为来流静压),但V字形钝化前缘处的流场品质恶劣;严酷型的压力最大值随着射流对撞强度的增强而增大,最高可达19p∞;渐匀型的压力最大值随着射流对撞强度的减弱,逐渐趋近于二维钝前缘平板产生的压力最大值4p∞。

V形钝化前缘激波干扰问题

针对高超声速进气道V形溢流口处极易形成复杂激波干扰,并产生严酷气动热/力载荷的问题,本文梳理和总结了近年来提炼模化出的V形钝化前缘(VBLE)及其相关研究的进展情况。回顾了V形钝化前缘模型的提出过程,介绍了其几何及流动的主要特点,分析了V形钝化前缘的激波干扰类型、气动热/力载荷以及激波振荡特性,探讨了降低局部极高气动热/力载荷及抑制激波振荡的优化设计方案,并对未来的研究方向进行了展望,以期促进对V形钝化前缘激波干扰现象的深入理解。

钝化前缘乘波布局及其一体化构型气动特性

以最大升阻比为优化目标,在锥型流场中优化设计出乘波布局,并考虑高超声速飞行器的防热需求,对乘波布局进行钝化设计,利用数值模拟和风洞实验两种手段,研究钝化前缘乘波布局的气动特性.结果表明:在一定钝化半径内,随着钝化半径的增加,乘波构型的升力特性变化仅为2%,但阻力特性增加近3倍,升阻比降低了将近50%.尽管如此,为了钝化乘波布局,仍维持了较高的升阻比,升阻比为3左右.同时,以二维顶压式进气道为基础,在多级楔锥组合体流场中,设计出满足超燃发动机进气要求的乘波前体/进气道一体化构型,并进行前缘钝化设计.针对一体化构型进行了数值验证,结果表明:此类一体化构型升阻比大于2.6,同时发动机总压恢系复数保持在40%左右,满足进气道的要求.

一种用于前缘钝化高超声速进气道设计评估的CFD/特征线组合方法及其应用

为便于前缘钝化高超声速进气道设计与性能分析,将CFD方法与特征线法相结合,提出一种高超声速钝化锥/楔流场的快速精确计算方法 (CCM方法)。该方法将CFD方法的精度与特征线方法的效率相结合,可进行前缘钝化高超声速进气道的快速设计与性能分析。利用CCM方法设计了一种前缘钝化两级锥轴对称进气道构型,分析了前缘钝化对进气道前体波系位置的影响,并采用CFD模拟开展了相应的对比考察和性能参数影响研究。结果表明,对于轴对称进气道,当前缘钝化半径较小时,进气道前体波系位置及流动性能基本不变;当钝化半径增至一定的尺度后,前缘激波向外偏移以及进气道性能参数的下降开始显露并渐趋明显。在设计状态点附近,低来流Ma下前缘钝化对轴对称进气道性能影响更为显著。对于该轴对称进气道构型,前缘钝化半径在10%捕获半径内变化时,进气道流量系数、出口截面总压恢复系数等参数变化幅度均在10%以内;进气道自起动Ma数略有下降。

前缘钝化对高超声速舵面气动/热特性影响研究

利用雷诺平均Navier-Stokes方程研究了高超声速舵面前缘半径对气动力/热特性的影响规律。根据高超声速热流计算中对壁面网格的要求,生成了适合于热流计算的结构化网格。首先以圆柱和钝双锥高超声速的粘性绕流数值模拟为例,验证了网格生成方法的可靠性和计算方法的正确性。在此基础上,以六边形翼型为基准开展了高超声速下舵面的前缘半径对升阻特性和热流密度的影响规律研究。研究表明,增加前缘钝化半径可有效降低热流密度峰值,热流密度峰值随着前缘半径增加先急剧下降,而后渐趋平缓;升力系数随前缘半径的增加呈近线性减小趋势,阻力系数随前缘半径的增加呈近线性增加趋势。研究结果可为高超声速舵面设计提供定量参考依据。

一种半径可控的参数化三维前缘钝化设计方法研究

高超声速飞行器面临的严峻气动热环境,使其在工程应用中必须对前缘进行钝化处理。对于脊形乘波体等复杂气动构型,其在不同纵截面内上、下表面轮廓线形状可能存在较大变化,所带来的三维效应使前缘钝化面临一定困难。目前,虽然已有相应三维钝化方法可使钝化前缘与飞行器表面光滑连接,但这些方法尚不能指定各前缘点处的钝化半径。本文提出了一种半径可控的参数化三维前缘钝化方法,给出了其在脊形乘波体上的应用实例,并对钝化外形进行了CFD计算仿真。结果表明,该方法不仅实现了钝化前缘与上下表面光滑连接,且形状沿横向连续变化,还可根据热防护需求指定钝化半径,实现热防护与气动外形的多学科耦合设计。该方法适用范围广,在高超声速气动外形设计中具有重要应用价值。

高超声速钝前缘乘波构型优化设计研究

乘波体的高升阻比优势使其在高超声速飞行器设计中极具应用前景.在实际工程应用中,为了满足防热要求,乘波体前缘必须进行钝化处理,前缘钝化对乘波体气动性能会产生显著影响.因此,原始尖前缘最优乘波体并不能保证钝化后仍为最优.针对这一问题,首先研究了前缘钝化对不同构型升阻特性的影响程度和作用机理.结果表明:前缘钝化会造成乘波体升力小幅度降低,阻力大幅增加,升阻比显著降低;其中钝前缘本身的波阻在阻力增量中起主导作用,而钝前缘本身的摩阻增加量与物面的摩阻降低量十分接近.基于上述结果,提出了一种高效评估钝前缘乘波体气动力的方法,并结合遗传算法,开展了直接考虑前缘钝化影响的乘波构型优化设计研究,获得了钝前缘最优构型.通过CFD数值模拟对最优构型的气动力特性进行评估,结果表明:在不同飞行高度、不同升力和不同钝化半径约束下,相比尖前缘最优构型,钝前缘最优构型宽度变窄,相同纵向位置处的后掠角增大,且升阻比显著提升.在M;=15,H=50 km,CL=0.3约束条件下,钝化半径R=10 mm的钝前缘最优构型设计点升阻比相比尖前缘最优构型提升量可达9.32%.

前缘钝化和化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道特性的影响

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对顶板、唇口前缘不同钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟。结果表明:相比基准进气道,钝化后进气道出口唇口板侧温度边界层较厚,顶板侧温度边界层较薄;在化学非平衡气体模型下,顶板前缘钝化半径R_(1)≥4mm时进气道顶板附近分离区内离解反应较为明显,氧气的最高离解度约为10.9%;唇口前缘钝化半径R_(2)≥2mm时进气道的唇罩、唇口板附近离解反应较为明显,氧气的最高离解度约为15.2%;当钝化半径≥4mm时,两种气体模型下进气道出口总压恢复系数和静温的相对变化量绝对值均大于0.5%,有必要考虑化学非平衡效应对进气道出口性能的影响。

热化学非平衡来流条件下热化学模型影响研究

为研究热化学非平衡来流条件下热化学模型等计算设定对斜激波压缩流动计算结果的影响,针对尖劈构型和相应的前缘钝化构型的高焓激波风洞实验,采用多种计算设定开展详细的数值模拟研究。计算结果表明,计算采用不同热化学模型,以及来流设定为振动冻结/平衡/非平衡状态,会导致斜激波激波角等参数存在一定差别,其中激波角差别可达约2%。当来流速度一定时,过斜激波后分子内能增量在平动转动能和振动能上的分配方式的差别决定了激波角的差别。前缘钝化情形下,采用不同计算设定所得激波角之间的关系和尖前缘构型的规律一致;但是,采用不同计算设定所得斜激波到壁面距离之间的关系和尖前缘构型的规律有差别,这源于钝化前缘的激波脱体距离的影响。对于自由来流下的斜激波压缩流动问题,若考虑了分子振动能激发但未考虑热力学非平衡(例如热完全气体模型、考虑空气反应的单温度模型等),就斜激波激波角等参数而言,计算误差比量热完全气体模型计算误差更大。

前缘钝化对乘波体非设计点性能影响分析

对前缘钝化后的乘波体在非设计状态下的气动性能进行了研究。乘波体的生成基于三维粘性流场,以乘波体上表面底部基线为参数化几何建模对象对乘波体进行设计和优化。采用改进的Tincher钝化方法对优化后的乘波体进行前缘钝化。利用CFD方法对设计马赫数6、巡航高度20 km的乘波体在马赫数4～8、迎角-6°～8°、飞行高度10～30 km非设计状态下的气动性能进行了数值模拟,对比分析了前缘钝化对乘波体非设计状态下性能的影响,得出了前缘钝化后乘波体气动性能随各因素的变化规律。研究结果表明:前缘钝化后乘波体的气动性能略有下降,但非设计点气动性能随各因素的变化规律与钝化前基本相同。

前缘钝化对高超声速飞行器气动特性的影响

为解决前缘钝化后由于外形的变化引起周围流场改变,导致激波形状发生变化而影响飞行器气动特性的问题,对前缘钝化后的吸气式高超声速飞行器气动特性进行了研究。对比分析了前缘钝化对吸气式高超声速飞行器气动特性的影响,得出了吸气式高超声速飞行器气动性能参数随着钝化半径的变化规律。研究结论可为乘波构型的高超声速飞行器一体化设计提供一定的依据。

跨/超声速间隙流动与传热特性的影响机理研究

随着涡轮性能不断提升,叶片顶部与机匣间隙两侧压差不断提高。在此作用下不可避免地产生跨/超声速间隙流动,造成流体做工的能量损失,并且对涡轮叶片顶部产生严重加热与烧蚀。针对不同间隙构型及冷却射流对间隙流场及换热的影响进行研究,结果表明:在常规平顶构型的跨/超声速间隙流动中,下壁面热流在距分离泡尾部再附点后约0.5 mm处达到最大,间隙内激波边界层干扰为典型的层流入流边界层干扰。间隙采用压力侧凹腔构型能有效降低下壁面热流,使得热流峰值相比平顶构型降低23.3%;间隙前缘的小钝化半径对热流影响较小,但会造成较大泄漏增量,这说明叶片在高温工况下自然钝化并不能有效降低热流。随着前缘钝化半径逐渐增加,存在临界半径使得分离泡恰好消失,整体热流峰值骤降。考虑叶顶射流主动冷却作用,分离泡内射流对流场的影响取决于射流压力的大小,存在合理范围使得冷却流体在分离泡后部产生较好的冷却效果,同时对前部热流影响较小。

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。

真实气体效应对Ma10级进气道流动的影响

为了探究高马赫数超燃冲压发动机高速飞行时真实气体效应对进气道流场的影响,仿真获得了不同气体模型下Ma10级进气道流场结构和性能。结果表明:进气道主流流场温度较低,不足以触发空气的离解反应,反应仅发生在边界层内,但反应程度较低,远未达到化学平衡状态,除了边界层温度及热载荷特性,其流场结果则更为贴近冻结流流场,因而化学非平衡模型与热完全气体模型的进气道通流流场结构和性能基本一致。而真实气体效应导致边界层特性的不同,对进气道起动特性产生影响,吸热离解反应通过对进口分离包的抑制和增大进口马赫数将进气道的再起动马赫数从9.8降低到9.4。在对进气道在宽速域应用中的钝化设计研究发现,真实气体效应虽然对前缘钝化进气道流场的压力分布和性能无明显影响,但是其能起到整体降低壁面热流的作用,不仅钝头处的热流降低了1MW/m2,通道内的热流也整体降低了0.1MW/m2。

乘波体构型气动性能与实用性研究

为了进一步研究乘波体的气动性能和实用性,探究其在飞行器设计中的应用价值,针对影响乘波体气动性能的外形几何参数、非设计状态、前缘钝化半径等参数进行了数值计算和分析,并对乘波体外形进行了优化改进。研究结果表明:乘波体的前缘曲线决定了其外形参数和气动性能,而前缘曲线受自由流面影响;非设计状态下,乘波体依然具有较理想的升阻比;前缘钝化处理使得乘波体下表面高压气流上泄到上表面,降低了乘波体的升阻比;外形优化使乘波体的实用性得到显著提高,并保持较高的升阻比;乘波体构型具有应用于高超声速飞行器前体外形设计的优势和潜力。