采用新型基准流场的高超声速内收缩进气道性能分析

通过改变中心体形状,设计了新型轴对称基准流场,可显著降低反射激波强度,明显提高压缩效率。基于该基准流场和传统基准流场,分别设计了两个圆形出口内收缩进气道,并对二者的流场及总体性能进行了数值研究。结果表明,新的进气道设计点和接力点肩点附近激波附面层相互作用减弱,流场结构优于传统进气道,压缩效率明显提高,同时进气道起动性能得到改善。

基于膨胀波效应的高超声速进气道肩部流动分离控制研究

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离,从膨胀波及激波理论出发,推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式,获得了影响斜激波诱导分离的主要因素:膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上,开展了膨胀波效应影响下的流动分离控制研究,给出了膨胀波效应影响下斜激波诱导分离的判别及预测方法。结果表明:增大激波入射点处膨胀角梯度,可以显著减小甚至消除肩部流动分离;随着激波角增大,激波强度及逆压力梯度增加,分离区尺寸显著增大。而波前马赫数对分离区尺寸的影响不显著;在进口马赫数3.57~5.18,唇罩角度6°~10°范围内,当激波入射点处逆压比梯度小于250 m^(-1)时,斜激波诱导的流动分离消失,可为改善超声速/高超声速进气道内流道流动分离提供技术支撑。

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。

高超声速进气道复杂内流热气动弹性研究

高超声速进气道在复杂波系的气动载荷和气动热作用下非常容易诱发热气动弹性问题,深入理解复杂内流下热气动弹性机理对未来高超声速进气道的精细化设计具有重要意义。建立了静/动热气动弹性动力学分析框架,深入研究了静/动热气动弹性对三维高超声速进气道流场结构和性能影响的规律和机理。静热气动弹性分析结果表明,双向耦合方法得到的气动热弹性变形相对较大,入口唇前缘变形量最大。结构变形改变了唇缘附近的激波结构,增强了进气道内部的激波强度,增加了分离区长度和外壁面温度,改变了出口流场。同时,热气动弹性变形会导致质量流量系数和压升比的增大,降低了总压恢复系数。动热气动弹性分析结果表明,对于模型,不考虑气动加热时,结构位移响应逐渐呈现收敛趋势;考虑气动加热后,结构位移响应呈现极限环的趋势。气动加热可能会改变进气道结构动态响应特征。由于进气道结构频率非常接近,结构动力响应中存在着“拍”现象。前缘变形较大而振幅较小,尾缘变形较小而振幅较大。结构振动导致流场结构产生明显的动态变化,且导致性能参数存在明显的波动,尤其是出口反压比波动幅度较大。希望通过研究加深对进气道中复杂波系结构中热气动弹性问题的理解与认识,以期为未来进气道的精细化设计提供参考。

压升规律可控的高超声速内收缩进气道设计

针对高超声速内收缩进气道,以有旋特征线理论研究了一种型面压升规律可控的新型轴对称基准流场;结合流线追踪技术,以等压力梯度为例,探讨了一种圆形进口的内收缩进气道设计方法,并对三种不同压升规律的内收缩进气道性能进行了比较.结果表明,采用基准流场的内收缩进气道,能较好地保持基准流场的预定压升规律,从而拓宽了基准流场的选择范围,提高了型面设计的灵活性.针对所研究的三种压升规律,压力梯度逐渐增大的进气道其压缩效率最高,等压力梯度次之,压力梯度逐渐减小的进气道压缩效率最低.此外,研究发现,通过调整压升规律还可改变进气道的内外压分配,有助于实现此类进气道的宽马赫数范围工作.

高超声速三维内收缩式进气道/乘波前体一体化设计研究评述

论述了国内外在高超声速三维内收缩式进气道研究方面的最新研究动态,重点阐述了三维变截面内乘波式进气道的研究进展。介绍了常规矩形进口进气道与乘波体外形一体化相关研究,并对三维内收缩式进气道与前体的一体化问题提出了关注。最后,对高超声速进气道与前体一体化设计的研究趋势进行了展望,提出三维内收缩式进气道与乘波前体的"双乘波"一体化设计可能为高超声速研究带来新的变革。

基于马赫数分布规律可控概念的高超声速内收缩进气道设计

提出了一种高超声速内收缩进气道设计方法.在壁面马赫数分布规律给定的前提下,通过有旋特征线法反设计出轴对称基准流场,采用流线追踪技术来生成进气道的无黏型面并通过黏性修正得到进气道最终构型.对相同约束条件下设计的几种典型马赫数分布规律的基准流场进行对比分析,选取了反正切马赫数分布规律设计基准流场进而生成一种圆形进口的高超内收缩进气道,数值仿真结果显示:这种进气道具有良好的流量捕获特性和较高的压缩效率,表明提出的设计方法可行,拓宽了基准流场的选择范围,值得进一步深入研究.

矩形转圆形高超声速内收缩进气道数值及试验研究

采用压力梯度先增大后减小压升规律轴对称基准流场,结合流线追踪及截面渐变技术设计了矩形转圆形内收缩进气道模型,并采用4°斜楔模拟飞行器前体,对前体、进气道一体化模型进行了数值模拟和风洞试验,初步得到了该进气道的流场结构及总体性能。设计点和接力点的数值模拟结果表明该进气道可在马赫数Ma=4～6状态下正常工作,且具有良好的总体性能。在设计点Ma=6、正4°攻角状态进行的风洞试验表明,该进气道增压比为41.2,总压恢复达0.45,至少可抵抗200倍来流静压的反压。

类水滴进口高超声速内收缩进气道设计及数值研究

采用压升规律可控的轴对称基准流场,结合流线追踪及截面渐变等技术设计了类水滴进口转圆形出口高超内收缩进气道构型,在设计点和接力点进行了数值模拟,并和设计参数相同的矩形转圆形内收缩进气道进行了比较.结果表明:设计点和接力点两者总体性能相当,类水滴进口进气道出口流场较均匀,并且具有更好的起动性能.此外,类水滴进口的几何非对称性造成了进气道整个流场结构的非对称.

高超声速内收缩进气道轴对称基准流场改进

针对轴对称基准流场中前缘曲激波靠近中心体的部分激波强度过大现象，基于马赫数分布可控反设计方法，将这道前缘曲激波分解为一道较弱弯曲激波和部分等熵压缩波，改进的基准流场存在“四波四区”结构且压缩效率明显提高．基于该改进的基准流场和常规“两波三区”基准流场分别设计了圆形进口的内收缩进气道并对其流场特点和性能进行数值研究．结果表明：改进的进气道的流场能较好保持基准流场的特点；在来流马赫数为4．O～7．0范围内具有较高的压缩效率和良好的流量捕获能力，设计点的出口压比和总压恢复系数分别为17．56和0．540；改进的进气道采用来流马赫数从高到低前缘弯曲激波和汇集的等熵压缩波依次封口的设计概念，在提高流量捕获能力的同时减小了总压损失，总体性能优于常规进气道，来流马赫数为7．0时总压恢复系数相对提高了23．6％，来流马赫数为4．0时流量系数相对提高了5．7％．

抽吸对高超声速内收缩进气道涡流区及起动性能的影响

研究了抽吸位置和开槽形式对高超声速内收缩进气道涡流区和起动性能的影响.数值计算结果表明:在内收缩进气道下洗气流集中区域开槽对减小出口涡流区效果显著,在分离包内开槽可以以较小的流量损失来大幅提升进气道的起动性能.横纵向组合槽即T型槽的综合抽吸效率最高,相对原型进气道,设计点马赫数为6.0时在相对抽吸流量为1.01%时出口总压恢复系数提高了12.8%,畸变指数减小了37%;起动马赫数从5.2降至4.1,自起动马赫数由6.2降至4.8.

预冷器对高超声速轴对称进气道设计状态气动性能影响

为获取预冷器对高超声速进气道内流特性的影响机理和影响规律,设计了一种在扩张段加入台阶型预冷器的高超声速轴对称进气道,并利用混合网格建立了仿真模型,获得了Ma6.0来流条件下带预冷器进气道与原型进气道在节流状态的数值仿真结果。结果表明:引入预冷器后进气道临界耐反压能力略有下降,并且进气道下游背压在1.0≤p_(b)/p_(0)<150时出口性能参数明显下降;预冷器上游总是存在节流,上游节流程度由预冷器的堵塞和出口背压共同决定,当p_(b)/p_(0)≤20时,上游流场结构完全由预冷器的堵塞作用决定,当p_(b)/p_(0)>20时,由两者共同决定;进气道下游背压在20≤p_(b)/p_(0)<275时,预冷器为上游流场带来消极影响,而当背压在20≤p_(b)/p_(0)<200范围时,预冷器的引入能有效改善下游流场品质,通过上下游的耦合作用,出口性能参数在p_(b)/p_(0)≥150后与原型进气道趋于一致。当p_(b)/p_(0)≥275时,唇罩侧放气缝对激波串根部低能流的抽吸使得预冷器几乎不对上游产生影响。

大内收缩比二元高超声速进气道波系配置特性

为了发展适应宽飞行范围的高超声速二元进气道设计技术,考察了内收缩比对进气道特性的影响规律,并提出了结合附面层抽吸辅助自起动的大内收缩比进气道波系设计方法,改善了二元进气道低马赫条件下流量捕获低的弱点。研究发现,存在着设计点推力最优进气道内收缩比,而进气道非设计点流量系数随内收缩比而增大。基于最优内收缩比进气道构型,取消外压激波封口约束,通过局部等熵压缩波分散打进内收缩段内部,大幅提高了进气道低马赫流量捕获。并进一步通过合理配置内收缩段抽吸槽,以设计点(马赫6)1%,非设计点(马赫4)3%的流量损失使进气道自起动马赫数降到3.35,改善了内收缩比过大导致的自起动问题。

高超声速进气道宽范围工作多场耦合效应及快速预测研究

为准确预测高超声速进气道气动热力环境及结构响应,开展了三个方面的研究。基于分区求解方法实现了气动力/热/结构三维多场耦合计算,并验证了该方法的正确性。研究了宽范围内来流马赫数和攻角对进气道多场耦合效应的影响。基于本征正交分解技术和径向基函数构建了进气道结构温度场、应力场及应变场的瞬态降阶模型。结果表明,进气道结构变形主要发生在模型的俯仰方向,当来流马赫数由4增加至7时,进气道压缩面气动热载荷增加,结构最大位移增加了4.78倍;当攻角由-2°增加至4°时,结构最大位移增幅为59.69%;设计工况下,降阶模型预测结果与多场耦合计算结果吻合较好,预测误差<0.80%。

放气槽布局形式及开槽角度对二元高超声速进气道性能的影响

通过对典型二元高超声速进气道进行数值仿真,研究了放气槽的布局形式以及放气槽的开槽角度θ对进气道总体性能的影响规律。研究结果表明:在放气总有效流通面积不变的前提下,多个放气槽的布局形式能够以更少的流量损失换取总压恢复系数的显著提升,且槽的数量越多,单个槽的有效流通面积越小,σ提升得越多,但当单个槽的有效流通面积d小于0.4 H_(th)(按喉道高度无量纲化)时,这种变化趋势趋于平缓。当开槽角θ介于30°~120°时,放气量流量比随角度的增加而降低;当120°≤θ≤150°时,放气流量比随θ的增加而增加;30°≤θ≤150°时,喉道总压恢复系数σ随θ的增加而降低,而喉道压比Π随θ的增加而单调增加。因此采用多个0.2 H_(th)~0.4 H_(th)有效流通面积的放气槽为较理想的放气布局形式,而开槽角度可根据实际需要来选取。

进气道可变高超声速飞行器自适应一体化控制

使用冲压发动机的高超声速飞行器多采用乘波体构型,由于飞行包线大、飞行环境变化显著,故采用变几何进气道设计以提高不同飞行条件下的综合推进性能,这使得飞行器动力学特性变化更加复杂,飞行和推进耦合效应更加显著。在此背景下,开展变进气道高超声速飞行器动力学建模研究,分析进气道构型变化情况下的动力学特性。提出了动力学参数依赖的自适应一体化控制方法,实现飞行/推进耦合反馈控制。在飞行环境和进气道构型改变导致动力学特性变化情况下,通过实时调整控制器参数,提升指令跟踪控制品质。

真实气体效应下高超声速进气道多场耦合仿真

吸气式高超声速飞行器速域的不断拓展,使进气道部件在强烈的气动载荷以及热载荷作用下与外部流场耦合效应明显,同时高温流动中的真实气体效应会进一步加剧进气道内多场耦合关系的复杂性。通过在多场耦合仿真中考虑真实气体效应影响,针对壁面共轭耦合传热下高超声速进气道气动性能以及结构温度场的非定常变化进行数值模拟。研究发现:受壁温升高的影响,300 s时刻进气道出口气流温度相比初始时刻上升13.30%,压力升高13.53%,总压恢复系数下降2%,而流量系数几乎不发生变化。50 s时刻,唇缘和前缘处壁温达到2350 K,内通道最高壁温为1200 K,而在300 s时刻内通道最高壁温也接近1900 K。因此在兼顾内通道防热设计的同时,要着重考量前缘及唇缘热防护设计的可靠性。

咽式高超声速进气道试验与计算研究

采用试验和计算方法研究了一种三维曲面内收缩咽式进气道的流场结构。从理论、试验、计算结果中给出了咽式进气道流动特征;提供了大内收缩比进气道在常规高超声速风洞进行试验的方法和技术;并对咽式进气道内偏航激波、俯仰激波、附面层之间的复杂作用产生的三维涡旋流场结构的成因进行了解释。

高超声速内收缩进气道分步优化设计方法

提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method,SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。

开启式高超声速进气道启动性能试验

设计了具有入口开启功能的高超声速进气道,并在Ma=6连续式自由射流风洞中进行了启动性能的试验研究.通过对进气道壁面静压变化和捕获流量的测量,验证了此种具有开启功能的变几何方案的可行性.试验结果表明,开启机构能够有效地提高进气道的启动性能.分析认为,进气道入口的逐渐打开过程辅助进气道建立起超声速流场.同时,开启机构避免了进气道自启动的迟滞效应,使进气道实现启动.