航空发动机进口帽罩结/防冰特性试验研究

航空发动机进口帽罩作为发动机重要的进口部件,防冰能力关乎发动机性能甚至影响飞行安全。为了研究航空发动机进口帽罩防冰性能,通过冰风洞对进口帽罩进行结/防冰试验,得到了进口帽罩表面结冰状况随热气流量、来流温度、来流风速的影响规律。试验结果表明:进口帽罩防冰能力从尖锥头部到帽罩后端逐渐增强;帽罩防冰能力随热气流量增加而提升;帽罩表面冰型随来流温度、来流风速变化而发生改变;帽罩表面结冰区域随风速增加而扩大。研究成果可以为进口帽罩防冰系统设计和验证提供重要指导。

宽马赫数范围高超声速进气道伸缩唇口式变几何方案

针对二元高超声速进气道Ma=4～7的宽马赫数范围工作要求,探索了一种伸缩唇口式简单变几何方案,利用一维流理论对其设计方法进行了讨论,给出了一种具体的实现方案,并利用数值仿真手段对其接力点下的自起动性能及其它不同工作马赫数下的性能进行了研究。结果表明:(1)所设计的伸缩唇口式变几何方案解决了宽马赫数工作范围内定几何进气道难以协调的设计矛盾,该方案能使进气道工作范围进一步拓宽至Ma=4～8(9);(2)变几何进气道能使马赫4接力点下的流量系数保持在0.7以上,这为飞行器宽马赫数范围加速提供了强有力保障;(3)与定几何进气道相比,变几何进气道高低马赫数下的总体性能均得到大幅度提高;(4)研究发现,附面层排移及排移位置对改善进气道接力点下的自起动性能有重要影响。

唇口对侧压式高超声速进气道及等直隔离段影响的数值分析

用N-S方程和RNGk-ε紊流模型计算了RBCC用侧压式高超音速进气道及等直隔离段三维内流场,重点分析了唇口位置对来流Ma=6流场的影响,并分析了有关的现象。结果表明:唇口位置前移使得出口截面上气流的均匀程度、对气流的压缩程度、唇口激波的强度、进气道的流量捕获率和总压恢复系数等都比唇口位置的情况更大,而在喉部时介于二者之间。

一组不同内收缩比二维进气道唇口开启过程实验研究

设计了小型直联式实验台,模拟来流马赫数5.3,对一组具有不同内收缩比的二维进气道唇口开启过程及其特性开展了实验研究。进气道唇口的角度位置和隔离段高度均可调节,由此实现进气道不同内收缩比要求。通过分析进气道底板壁面压力分布,总结了进气道开启过程特性及其影响因素。

唇口形状对二元进气道性能影响数值模拟

为了研究唇口形状对二元混压式进气道的性能影响,采用Fluent进行了数值模拟。研究发现,唇口面积的减小会带来一定的流量损失,但可以有效地降低起动马赫数,提高总压恢复系数。同时,据此提出了二元进气道的一种优化设计方法。

钝化唇缘对超声速混压式进气道性能的影响

在高速旋转条件下,利用二维轴对称N-S方程对唇缘钝化的超声速弹用进气道内外的复杂流场进行了数值模拟,所得流场结构清晰。湍流模型为RNGk-ε两方程模型,数值格式为一阶迎风格式。获得了在设计马赫数下不同外罩唇缘钝化半径对进气性能参数的影响。研究表明,在唇缘钝化半径合理增大的情况下,进气道的稳定工作范围变宽,总压恢复系数提高,唯一不利因素为进气道总阻力有所增大,证实唇缘钝化后的进气道能满足固冲增程炮弹的使用要求。

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。

隔板对二元高马赫数进气道自起动性能的影响

前伸隔板能够大幅提升高马赫数进气道的自起动性能。为了进一步获得前伸隔板关键设计参数对二元高马赫数进气道自起动性能的影响机制,针对一种低外阻二元高马赫数进气道,利用数值仿真研究了不同相对位置和前缘上切角的隔板构型下进气道的自起动过程。结果表明:上子通道在起动之前维持超声速不起动流场结构并且率先实现起动,有利于整个进气道自起动性能的提升;在研究范围内,随着隔板相对位置的增加,进气道自起动马赫数先减小后增大,而在基准位置改变隔板前缘切线角度,进气道自起动马赫数则变化较小;使进气道具备优良自起动性能的隔板相对位置区间和隔板前缘上切角区间均较宽,对应的上子通道和下子通道内收缩比的比值落于0.797~1.043。

唇罩激波/边界层干扰的壁面鼓包/次流循环组合控制方法研究

为了对超声速、高超声速进气道内多道连续唇罩激波/边界层干扰现象进行有效控制,提出了一种壁面鼓包/次流循环的组合控制方法,并对相关流动机理及参数影响规律进行了研究。结果表明:通过小尺度鼓包迎风侧弱压缩波束的预增压效应,实现对第一道唇罩激波/边界层干扰的控制;同时,在压差力的驱动下,鼓包下游第二道唇罩激波作用导致的边界层分离包内的低能流进入次流循环装置,并从上游压缩面上的吹气缝喷出,实现对第二道唇罩入射激波的控制。在鼓包与次流循环装置的共同作用下,两道唇罩激波产生的边界层分离被有效隔离并分别控制。同时,本控制方案不会造成进气道捕获流量的损失。相较于无控制方案,鼓包/次流循环组合控制方案可以在来流马赫数为3.95~6.95内实现对多道连续唇罩激波/边界层干扰的控制,改善内通道中的流动,提高进气道的总压恢复性能,最大改善幅度可以达到15.7%。此外,为保证控制效果,应选择合适的吹气缝和引气缝位置。

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。

流线追踪内转式低音爆进气道的设计方法及流动特征

为了降低内转式进气道的音爆强度,设计了一种具有曲内收缩前体和零度唇罩角的流线追踪内转式低音爆进气道,采用数值仿真方法初步研究其在不同工况下的流场结构和流动特征。结果表明:由于零度唇罩角,低音爆进气道的唇罩激波微弱,对唇罩外侧的流场影响较小,因此内转式低音爆进气道的音爆显著低于常规内转式进气道,其中在设计马赫数Mad=2.2通流状态下相比下降约94.18%;由于内唇罩面向内偏折,导致唇口反射激波强度增加,总压损失增加,内转式低音爆进气道总压恢复系数略低于常规内转式进气道;内转式低音爆进气道的音爆不但与其唇罩角有关,而且与其飞行工况有关,飞行攻角越大、来流马赫数Ma∞<Mad越小,音爆越大;其中,在攻角α=0°时,其音爆比α=6°时减小约86.69%;在Ma∞=2.2时,其音爆比Ma∞=1.85下减小约91.93%。

二元低音爆超声速进气道的流动特性研究

为了揭示低音爆进气道的特殊流动机理,设计了一种新型二元低音爆超声速进气道,其具有零度角唇罩和发散等熵压缩前体这两个典型特征,并通过仿真手段获得了其在典型状态下的流场结构和工作特性。结果表明:由于唇罩内侧倾角过大,在低来流马赫数下(Ma∞=1.8,2.0),低音爆进气道在口部产生了唇罩弯曲激波及相应的局部亚声速区,这一流动结构的存在使其在临界状态下的总压恢复系数与外压式进气道相比分别降低了2.3%和5.5%;而在高来流马赫数下(Ma∞=2.5),唇罩激波在肩部下游诱导出一个大的分离包,该分离包使得低音爆进气道的性能随下游堵塞度的变化变得敏感。由于本文设计的低音爆进气道外唇罩角为0°,其音爆水平与外压式进气道相比显著降低,其中其音爆在设计马赫数的通流状态下减小了98.6%。此外,进气道的音爆还与其工作状态相关,进气道的溢流程度越大、超声速来流的马赫数越低,音爆水平则越高。

隔板对低外阻二元高马赫数进气道反压特性的影响

为了提高低外阻二元高马赫数进气道的抗反压性能,研究了在内收缩段设置隔板对低外阻二元高马赫数进气道抗反压能力的影响,通过数值仿真计算了两组不同内收缩比的低外阻二元高马赫数进气道内收缩段有/无隔板下的反压特性,并对比分析了相应的流场结构。结果表明,隔板能够显著抑制低外阻二元高马赫数进气道内强激波/边界层干扰现象,改善隔离段入口截面气流参数分布的均匀性,使隔离段内激波串结构上下较为对称地推进。内收缩比1.566进气道引入隔板能够将极限反压提高4.2%。引入隔板能够在增加进气道压缩效率的前提下,提高进气道的最大抗反压能力,拓宽进气道的稳定工作范围。

变几何进气道吸气式高超声速飞行器控制系统设计

建立了变几何进气道吸气式高超声速飞行器(AHV-VGI)的纵向模型。针对纵向模型中由于参数拟合以及可移动唇罩引入的不确定性、飞行器所受不确定外来干扰,提出了一种基于模糊干扰观测器的AHV-VGI动态面控制方案。仿真结果表明:所提方法能够对AHV-VGI系统进行有效控制,相对于传统的定几何进气道(FGI) AHV(AHV-FGI)的控制,性能更优。

高超声速二元变几何进气道气动方案设计与调节规律研究

针对二元高超声速进气道宽马赫数大攻角工作要求,研究了转动唇口变几何进气道调节方案,给出了一种高性能变几何原型进气道设计方法,并通过数值仿真获得了变几何进气道各工况下的调节规律及性能变化规律。研究表明:采用特殊曲面唇口设计的变几何进气道宽马赫数范围内流场结构较好,总体性能优越;以马赫数Ma=6.0为设计点的原型进气道采用转动唇口方案无需附面层抽吸即可在唇口开启过程中实现接力点自起动,且最低自起动马赫数降至Ma=3.5;低马赫数大攻角状态下,通过转动唇口合理控制喉部平均马赫数范围可保证进气道正常工作。

宽马赫数范围高超声速进气道转动唇口变几何方案研究

结合简单一维流理论讨论了一种工作于Ma=4～7、采用可转动唇口的变几何二元高超声速进气道设计方案,并利用数值仿真手段对其Ma=4下的自起动性能及其他不同工作马赫数下的性能进行了研究.结果表明:所设计的变几何进气道必须辅以附面层排移措施才能在Ma=4下顺利实现自起动;该变几何方案Ma=4下的流量系数达0.7以上,这为飞行器加速提供了强有力保障;与定几何进气道相比,变几何进气道高低马赫数下的总体性能均得到显著提高;此外,转动唇口的铰接位置对自起动性能有重要影响.

多目标考虑下高超声速进气道唇口角参数化设计与分析

以二维轴对称高超声速进气道为研究对象,研究唇口角对进气道总压恢复性能、阻力性能和起动性能的影响,开展多目标考虑下唇口角设计。首先,采用三阶准均匀B样条对唇罩进行参数化设计,获得具有不同唇口角的进气道构型。然后基于数值仿真方法研究唇口角对进气道总压恢复性能、阻力性能和起动性能的影响。结果表明,存在一个最佳唇口角使进气道总压恢复性能最佳。分析发现唇口角过小时入口处会形成强烈唇口激波,唇口角过大时内收缩段会形成汇聚激波,二者均会造成严重总压损失。在阻力性能研究中发现通过减小唇口角,可有效减小内外唇罩阻力,但压缩侧壁面阻力因唇口激波强度增加而增大,在三者共同作用下进气道总阻力随唇口角增大表现出先减小后增大的规律。在唇口角对起动性能的影响研究中同样发现存在一个最佳唇口角使进气道起动性能最佳。唇口角过小时大尺度分离区难以被吞入,唇口角过大时分离区在内收缩段形成稳定驻留,两者均不利于进气道起动。最后,分析了不同内收缩比下进气道唇口角对总压恢复性能、阻力性能和起动性能的影响,并对多目标考虑下最优唇口角设计展开研究。结果表明使总压恢复性能、阻力性能和起动性能分别最佳的唇口角并不重合,但总体而言三者相差不大,通过唇口角设计可使进气道同时达到较好的总压恢复性能、阻力特性和起动性能。

内收缩比可控的二元高超声速变几何进气道研究

提出了一种进气道内收缩比可控、包括唇口后退等几何动作的变几何进气道的设计思路,给出了具体的设计过程及影响因素.据此开展了二元高超声速定、变几何进气道气动方案设计,并进行了细致的数值模拟,给出了进气道气动性能参数随来流马赫数的变化规律,将定、变几何进气道气动性能进行了对比分析,结果显示:设计马赫数下,定、变几何进气道气动性能基本相同;非设计马赫数下,变几何进气道的流量系数明显高于定几何方案,且马赫数越低,两者相差越大.静压比、温升比、总压恢复系数及隔离段出口马赫数则相差不大.

带唇口封气活门的高超侧压进气道过渡态工况气动性能

针对超燃冲压发动机从助推到接力工作的过渡状态,根据侧压式进气道从完全关闭到全部开启的工作要求,提出了一种新的变几何设计方案,即可变唇口活门方案.采用数值模拟和实验研究的方法,研究了发动机在工况变化的过渡过程中,可调唇口对进气道性能的影响,研究发现该方案可以实现进气道的启闭.在数值模拟的基础上,设计了一个唇口活门遥控调节的侧压式进气道模型,完成了这种变唇口侧压式进气道模型的Ma为3.85风洞试验,证明该进气道在设计起动马赫数Ma为3.85下能够正常开启并起动工作,验证了该方案的可行性.

简析PW1100G进气道唇口蒙皮损伤修理

以PW1100G发动机进气道为例,简析其主要结构特点,总结整理典型唇口蒙皮损伤的修理方法,并结合实际维修过程中的经验数据,对不同程度损伤修理方法的选用进行梳理。