局部凸起在V形钝前缘模型中的降热特性研究

三维内转式进气道的唇口结构通常存在复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷,严重威胁高超声速飞行器的性能与安全.在6.0马赫的高超声速流动中,以V形钝前缘模型为研究对象,设计了局部凸起的被动流动控制降热方案.采用数值模拟手段,首先研究了局部凸起方案的降热能力以及降热原理,然后初步优化了局部凸起的位置、高度以及宽度等关键设计参数,最后分析了优化后的局部凸起方案的攻角、侧滑角及马赫数的适用性.研究结果表明:上游凸起边缘形成的斜激波与主马赫反射结构形成的透射激波发生干扰,能够减弱其冲击壁面的强度,实现降热的目的;驻点凸起通过改变超声速射流的对撞角度,能够降低其对撞的强度,实现降热的目的.原始方案的降热能力约为37.75%,在对局部凸起的关键设计参数进行初步优化后,优化方案的降热能力将提升至44.60%.设计工况下的优化方案具有良好的攻角适用性,而高度可变的优化方案可以较好地适用于有侧滑角及高马赫数的流动.在研究范围内,高度可变的优化局部凸起方案的降热能力均高于20%.

钝前缘楔形翼颤振特性分析

为了研究飞行器翼的颤振特性,基于钝前缘楔形三角翼模型,采用ZONA 7和ZONA 7U两种升力面方法计算翼的颤振边界,并与试验结果对比,可知ZONA7方法计算得到的颤振边界高于试验值,存在设计安全隐患;ZONA 7U方法可对颤振边界进行保守预测,提高设计可靠性。建立四种不同前缘半径楔形三角翼模型,采用ZONA7U方法分析前缘半径对翼颤振特性的影响,分析表明,增加前缘半径,颤振速度随之增加,颤振频率先增后降。在此基础上分析不同马赫数下颤振特性变化规律。结果表明,颤振速度随马赫数增加而增加,颤振频率受马赫数影响产生的变化较小。

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。

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。

边缘钝化对乘波构型性能影响分析

基于乘波构型设计高升阻比飞行器是新型高超声速飞行器布局设计的一种有效途径。受气动热和工艺限制实际应用中需要对乘波构型具有的尖锐边缘进行钝化。为了研究钝化对乘波构型性能的影响,利用计算流体力学方法研究了不同钝化半径对乘波构型气动力和气动热的影响。分析表明:乘波构型边缘钝化可以有效降低最大热流密度,但同时也会降低布局的气动性能。随着钝化半径的增大,乘波构型的气动性能降低较为明显,但对热流密度的影响逐渐减弱。在高超声速飞行器布局设计时应综合考虑钝化对气动力和气动热的影响效应,寻找最佳的平衡点。

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。

高超声速滑翔式升力体外形设计与优化

针对高超声速飞行器外形参数多、气动布局设计复杂的问题,基于类型函数/形状函数变换技术和幂函数表达方法,采用6个控制参数设计了一种便于分析与设计的升力体构型。通过正交试验分析了各参数对升力体容积率和升阻比的影响,得到了对性能影响较大的参数,并发现几乎所有的控制参数对容积率和升阻比的影响趋势都是相反的,进而以纵向稳定性和容积为约束条件,对升阻比和容积率进行多目标优化。结果表明,基于Kriging代理模型技术的多目标优化方法计算效率高,得到的优化前缘均匀,典型优化结果的容积率和升阻比较基本外形分别提高17.31%和11.94%,并且由于代理模型构建时采用了改进的EI加点策略,优化结果的误差能达到4%以内,完全满足初步设计的要求。另外研究了边缘钝化对优化设计结果的影响,边缘钝化能显著减小升阻比,钝化半径越大升阻比越小。而且当仅考虑气动力特性时,基于尖锐前缘外形得到的优化结果能直接外推到钝化条件下。

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场NPLS图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。

前缘钝度对马赫数6平面压缩进气道流场的影响分析

高超声速飞行要求前缘钝化,钝化前缘将引起流场变化并影响进气道性能,进气道几何参数需要进行修正设计。为了解钝化前缘影响的程度及条件,为修正设计提供依据,采用S-A模型,研究了马赫数6条件下,固定外罩前缘钝度(Rc=2mm),前体前缘钝化(RN=1~6mm)对一种3+1波系平面压缩进气道流场特征和综合性能的影响。结果表明,前体前缘钝化引起外压缩激波偏离唇口、肩部分离区向上游传播,造成分离激波与其他激波形成复杂的相交结构,进而形成严重畸变的唇口弓形激波,在较大钝度(RN≥3mm)时激波干扰生成的滑移层进入内流道核心区,唇口弓形激波的畸变和大范围的滑移层吞入,是造成总压恢复系数严重下降的主要原因;外压缩激波的外移以及分离激波的介入是造成流量捕获急剧下降的主要原因。由此提示,应当通过合理的钝化设计或流场修正设计,使前体前缘钝化的进气道避免外压缩激波偏离唇口太远,并通过流动控制方法严格控制肩部分离区范围,勿使分离激波与其他激波干扰产生的滑移层进入内流道核心区范围,更要避免分离激波与唇口弓形激波在内流道核心区域相交。

钝缘舵高超音速湍流分离特性

给出由半圆柱前缘舵诱导的高超音速湍流分离的实验结果。实验气流Ｍａｃｈ数为７．８，单位长度Ｒｅ数为３．５×１０７ｍ－１。结果表明：钝缘舵诱导的湍流分离极不稳定，分离激波出现大尺度低频振荡，使壁面压力和热流率无量纲标准偏差在主分离线附近达最大值。Ｍａｃｈ数愈高，最大无量纲标准偏差值越大。在前缘区前缘直径是控制分离流场尺度和平均壁面压力。

钝前缘梯形翼高超声速风洞颤振试验

为了研究钝前缘翼面的高超声速颤振特性,获得典型翼面高超声速颤振参数以校验非定常气动力和CFD计算,采用具有简单结构动力学特性的钝前缘梯形翼模型,在中国航天空气动力技术研究院FD-07高超声速风洞进行了高超声速风洞颤振试验研究.模型为9 mm厚钝前缘梯形平板翼,采用夹层设计:中间层为钢板,提供模型主要刚度和质量特性;两侧为泡沫,起维形作用.试验模型采用悬臂支撑安装于风洞试验段,试验Mach数分别为4.95和5.95.试验固定Mach数,通过缓慢增加动压以使模型达到颤振临界点,采用小波时频谱分析时域响应,结果显示试验模型发生了弯扭耦合经典颤振.试验采用直接观测法获得了颤振动压、颤振频率和对应的试验密度、总温等颤振相关参数.采用壳单元建立了结构有限元模型,并采用统一升力面理论对模型进行了颤振计算分析,研究了气流密度、结构阻尼、Mach数对颤振计算的影响,并对试验结果与理论计算的偏差进行了讨论.分析认为,计算气流密度、计算结构阻尼、结构建模偏差、试验结果散布特性等因素均会构成计算值和试验值之间的偏差,但即便在计算中考虑上述因素,计算结果与试验值仍存在较大偏差.

钝体前缘喷流热防护数值分析

高超声速飞行器飞行过程中面临严重的气动加热,将导致飞行器结构在高温作用下发生破坏,因此必须采取必要的热防护措施。反向喷流热防护因具有可重复使用和防热效果好等特点,适合用在未来的可重复使用航天器中,尤其适用于锐边缘结构的热防护。但反向喷流的加入,使流场变的非常复杂,增加了飞行器壁面热流预测和气动力计算的难度。本文在已有试验基础上数值模拟了反向喷流流场,模型为前端带喷口的钝头结构,自由来流马赫数为3.98,反向喷流与自由来流的总压比分别取0.4、0.6和0.8。数值结果与试验结果拟合良好,初步揭示了喷流热防护的防热机理,并在此基础上,定性分析了给定喷流秒流量下喷流控制参数对降热效果的影响。

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。

压气机叶片钝头前缘对边界层气动影响

由于加工误差、外物损伤等原因,压气机叶片前缘容易产生钝头变形。为分析其带来的影响,使用SST湍流模型并结合γ-θ转捩模型进行了数值模拟。通过叶片吸力面边界层形状因子、法向平均间歇因子和叶栅出口总压损失系数等参量,研究了钝头前缘对边界层发展所带来的影响。同时针对一种前缘曲率连续的改进叶型进行了研究。结果表明在很宽的攻角范围内,压力面边界层受钝头变形影响极小。吸力面边界层受影响程度则会随着攻角增大而提高,当攻角超过一定范围,钝头前缘会显著改变边界层发展,影响整个主流流场。

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。

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。

斜激波入射V形钝前缘溢流口激波干扰研究

针对内转式进气道溢流口这一关键部位所面临的三维复杂激波干扰问题,将溢流口提炼简化为V形钝前缘平板,采用激波风洞实验观测结合数值模拟的方法,研究了前体斜激波与V形钝前缘溢流口相对位置变化引起的激波干扰的演化规律。结果表明:由于V形钝前缘自身的激波干扰,其驻点前弓形激波的脱体距离较大,波后存在大范围的亚声速区。当斜激波入射在该弓形激波接近正激波的部分时,发生Edney第Ⅳa类激波干扰,该流动结构与V形钝前缘自身带来的三维激波干扰相互耦合,形成多处超声速射流区域;当斜激波入射在该弓形激波亚声速区的声速点附近时,呈现出不同于Edney第Ⅲ类激波干扰的波系结构;当斜激波入射在该弓形激波的超声速部分时,形成的波系结构与Edney第Ⅱ、Ⅵ类激波干扰类似。

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%.

几何参数对V字形钝前缘气动热特性影响

针对三维内转式进气道V字形唇口部位气动热载荷严酷的问题,将唇口简化为V字形钝前缘,在来流马赫数6条件下,采用数值模拟并辅以激波风洞实验,研究了气动热随前缘几何参数的变化规律.结果表明,在半径比R/r(根部倒圆半径R和前缘钝化半径r之比)和半扩张角β的联合作用下,V字形根部主要出现三种激波反射类型,其壁面热流峰值的位置和大小均差异明显.在(R/r,β)几何参数空间中,当R/r和β都相对较小时,V字形根部发生异侧激波规则反射,超声速气流冲击驻点附近壁面,并产生极其严酷的第一类中心热流峰值,最高可达相同钝化半径圆柱驻点热流的12倍.当R/r或β较大,V字形根部发生马赫反射时,异侧超声速射流对撞以及激波/边界层干扰分别导致了第二类中心热流峰值和外侧热流峰值,其严酷程度仅次于第一类中心热流峰值,采用R/r和β建立了第二类中心热流峰值和外侧热流峰值强弱转变的边界.当R/r充分大,V字形根部发生同侧激波规则反射时,第二类中心热流峰值和外侧热流峰值都减小至相同钝化半径圆柱驻点热流的水平.