模拟飞行条件下的吸气式高超声速飞行器后体尾喷流干扰问题实验方案研究

后体尾喷流干扰问题的准确模拟,对大尺度一体化飞行器气动力预测及后体尾喷流干扰机理认识至关重要。为了研究后体尾喷流干扰问题,本文基于相似理论,开展了模拟内外流相似参数的喷流干扰实验方案研究。提出了采用CF4+Air混合气体形式,模拟超然冲压发动机出口热态喷流的比热比等相似参数,建立了模拟真实条件下的喷流干扰问题的模拟方案。采用数值仿真软件对飞行条件和风洞条件下后体尾喷流干扰问题进行了数值模拟,从数值模拟结果来看,模拟内外流相似参数的喷流干扰实验方案是完全可行的。

嵌入式大气数据测量系统技术研究进展

针对高超声速飞行器大气数据测量问题,对嵌入式大气数据测量系统(FADS)技术研究背景、发展历程、国内外研究现状等进行了概括。重点围绕FADS关键技术、FADS解算算法及面向FADS/INS组合测量系统信息融合算法方面,对FADS技术进行了深入的剖析。最后,展望了FADS技术未来的发展方向及应用前景。

超燃冲压发动机燃烧室空气节流技术研究

为考察空气节流对超燃冲压发动机燃烧室的影响,非定常数值模拟和地面实验相结合证实了空气节流可以实现超燃燃烧室燃料稳定燃烧,研究了节流位置、节流流量、节流撤去时间对节流效果的影响。结果表明:在燃烧室入口马赫数2,静温548.8K,静压101555.9Pa条件下,745mm处节流时,激波串稳定时间较短,稳焰失败;875mm处节流时,火焰稳定成功。随着节流流量和节流撤去时间的增加,燃烧越来越剧烈,壁面压力逐渐升高,可能影响进气道的起动,对于本文来流条件,30%入口空气流量作为节流流量是合适的,440ms以前撤去空气节流是恰当的。

空气节流对超燃燃烧室火焰稳定影响的数值研究

空气节流通过在流场中产生激波串,有效地辅助燃料实现稳定燃烧。非定常数值模拟研究了空气节流对超燃燃烧室燃料稳定燃烧的影响,分析了节流实现燃料稳定燃烧的机理。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温548.8K、静压0.1MPa,乙烯燃料当量比为0.5,先锋氢辅助点火的条件下,距离发动机入口845mm处,30%入口空气流量的节流流量有效地实现了燃料的稳定燃烧,激波串是实现燃料稳定燃烧的根本原因,节流参数对节流效果有着较大的影响。

空气节流对乙烯燃料超燃冲压发动机流场结构影响研究

空气节流可以有效地实现超燃冲压发动机燃烧室燃料的稳定燃烧,采用非定常数值模拟和地面试验研究了空气节流作用下乙烯燃料超燃冲压发动机的流场特性。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K,静压0.1MPa,845mm处节流条件下,冷流流场达到稳定所需时间较短,约为2ms;在空气节流开始后的6ms注入燃料实现发动机的起动点火是合适的;28ms后燃烧流场稳定,流场呈现短周期的小幅振荡,周期约为0.86ms,振荡对流场的影响很小;壁面压力数据的数值模拟结果与试验结果匹配良好,数值模拟更加全面地给出了流场结构信息。

空气节流对超燃燃烧室流场结构与燃料混合影响的数值研究

实现高速气流的点火和稳定燃烧是超燃冲压发动机燃烧室设计面临的主要问题,空气节流通过在流场中产生激波串,减小主流气体的马赫数,提高当地的静温和静压,辅助发动机实现起动点火和稳定燃烧。为了研究空气节流的详细机理,通过求解三维N-S方程的方法研究了节流流量、节流位置对节流效果的影响,同时对比了有无节流存在对超燃冲压发动机燃烧室流场结构和掺混特性的影响,分析了节流促进燃料高效混合的机理。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温517.7K、静压101342.2Pa的条件下,20%入口空气流量的节流流量是最合适的节流流量,本文研究的实例中最佳节流位置位于距燃烧室入口623mm处,同时证实了节流有效地促进了燃料的混合,提高了混合效率。

高超声速内转式进气道流动的壁面丝线显示

针对风洞实验观测高超声速内转式进气道内部流动困难,不易获得内流道三维激波/边界层干扰主导的复杂流场结构的问题,通过拓展壁面丝线流动显示技术的潜力,在Ma∞5.9激波风洞中,借助高速摄影实时拍摄丝线流谱,并结合纹影、壁面压强测量以及数值模拟分析,验证了丝线的动态响应特性,丰富了内转式进气道的观测技术,获得了进气道的流场结构。采用预设堵块实验方法,在激波风洞中考核了内转式进气道模型的自起动能力。结果表明,直径约为0.1 mm,长度约为15 mm的402号涤纶/棉缝纫线的跟随性较好,能够直观、动态地显示出壁面流动分离区的范围,为判断内转式进气道是否起动提供了依据。内转式进气道模型在实验条件下能够自起动,起动状态下进气道唇口附近的波系结构以及前体压缩面的丝线流谱和压力分布与数值模拟符合较好。

抽吸排气式高焓风洞应用实验研究

连续式高焓风洞是开展吸气式高超声速技术研究的重要试验设备,这类风洞一般采用了引射式排气或真空排气工作方式。为了避免引射式排气风洞组成复杂、参数匹配要求高、引射效率低以及真空排气风洞不能实现连续式排气等不足,提出了一种新的高焓风洞形式—抽吸排气式高焓风洞,采用了"真空罐+抽气泵"进行组合抽吸排气,真空罐完成风洞快速启动,抽气泵实现风洞长时间连续运行。实验结果表明:这种形式的高焓风洞实现了连续式排气,而且能在55%模型堵塞度条件下实现风洞启动运行,具有良好的应用前景。

甲烷-空气预混火焰中化学发光定量化测量放热率的实验研究

为了研究化学发光定量化测量火焰放热率的方法,对当量比0.8～1.2,流速5cm/s～25cm/s的甲烷-空气预混火焰进行了实验研究。使用直径0.025mm高精度铂铑热电偶测量了平面火焰的温度分布,进一步得到了放热率分布,并对火焰结构及燃烧特性进行了分析;利用ICCD相机测量了甲烷-空气预混火焰中OH*和CH*的化学发光分布,并研究了两种激发态粒子的化学发光分布与放热率分布的关系。结果表明,常压下层流预混火焰的火焰厚度仅有0.5mm左右;气流速度的变化不改变火焰结构,而当量比对火焰结构有显著影响;OH*能够比CH*更准确地标识放热率的空间分布;两种激发态粒子的化学发光强度峰值与放热率峰值均呈线性关系,且线性相关性OH*强于CH*;得到了利用化学发光强度定量化测量放热率的方法。

超声速燃烧室煤油多点喷注实验研究

为了解决超声速燃烧室内局部煤油当量油气比过高造成的点火及稳定燃烧困难,在Ma=5,总当量油气比接近的条件下,研究了不同煤油喷注位置相互匹配方法对发动机点火性能和推力性能的影响。研究结果表明:多个油位匹配喷注,有利于煤油点火及燃烧,发动机推力性能更好。"值班火焰"引燃煤油时,其余煤油由更多位置喷注且单个位置当量油气比更低时更容易点火燃烧。"值班火焰"的当量油气比由0.51增加到0.55时,煤油燃烧性能变差,比冲降低46N·s/kg;当量油气比均为0.51时,其余煤油由三个位置喷注比两个位置喷注时比冲增加66N·s/kg。同一截面内上部壁面喷注结合下部支杆喷注,可以优化煤油在燃烧室高度方向上的分布,获得更好的发动机性能。上游位置喷注对煤油的预混作用不明显,煤油未燃烧会造成"值班火焰"当量油气比升高,导致发动机点火性能和推力性能变差。

甲烷/空气预混超声速燃烧的18步简化机理

基于甲烷燃烧详细化学动力学机理Gri-Mech3.0,分别采用良搅拌反应模型以及层流预混火焰模型计算甲烷/空气预混燃烧过程.通过对详细机理的计算结果进行敏感性分析以及产物速率分析,提取骨干机理,再根据准稳态假设进一步简化,最终得到包含14种组分18个基元反应的简化机理.拓宽计算条件,将该18步简化机理与详细机理进行对比,结果表明,该简化机理在预测点火延迟时间方面具有较高精度,能够在较大热力学参数变化范围内较好地预测甲烷/空气预混燃烧现象.

乙烯燃料超燃冲压发动机流场振荡及其控制研究

为了研究超燃冲压发动机燃烧室内的流场振荡原因与抑制振荡的方法,采用非定常数值模拟研究了乙烯燃料超燃冲压发动机的流场振荡现象。结果表明:在燃烧室入口马赫数2,静温530K,静压0.1MPa的入流条件下,冷流流场存在振荡现象,主要是由于凹槽内低速流体与主流高速流体形成的剪切层周期性的振荡,流场振荡周期为13.6ms,振荡频率为73.5Hz;K1或K2油位注油当量比0.1,均可以有效地抑制流场的振荡,流场达到稳定所需时间分别为8ms和30ms;K3油位注油当量比0.1或0.2均不能抑制流场的振荡,但使振荡周期由15.13ms转为5.7ms,振荡频率由66.1Hz转变为175.3Hz;五点注油有效地提高了发动机的推力性能。

密切曲面内锥乘波前体进气道设计和试验研究

介绍了密切曲面内锥乘波前体进气道（Osculating Inward turning Cone Waverider Inlet，OICWI）的一体化设计方法，对该型乘波前体进气道的性能进行了数值分析，针对该型一体化乘波前体进气道完成了风洞试验研究。理论设计结果和设计状态无粘模拟结果一致，设计状态下的计算结果表明，前体进气道具有较高的总压恢复、较好出口流场均匀度及较高的流量捕获率。试验研究结果表明，改型一体化前体进气道在马赫数5～7条件下顺利启动，流场波系及压力分布同数值分析结果吻合。

氢燃料超燃燃烧室流场结构和火焰传播规律试验研究

采用试验方法研究了不同当量比条件下的氢气燃烧流场结构和火焰传播规律。采用壁面测压、纹影、差分干涉、火焰自发光照相以及OH-PLIF等测量手段获取流场信息,并发展了纹影、差分干涉和PLIF同步测量的试验方法,获取了流动结构和火焰的耦合测量结果。结果表明:在所研究的5个状态中,当氢气当量比大于0.17时,燃烧流场结构不稳定,火焰分布呈现破碎状,火焰在燃烧室上下壁面之间来回传播;当氢气当量比小于或等于0.17时,燃烧流场结构稳定,火焰呈现连续分布,火焰稳定分布于凹槽下部剪切层内。

脉冲风洞测力系统建模与载荷辨识方法研究

将载荷辨识技术应用于脉冲燃烧风洞模型测力。用子结构综合法建立了测力试验系统的动力学模型,在时域内将动力学方程进行离散,建立起天平测量信号与模型气动载荷历程之间的线性关系,作为载荷辨识的模型。采用Tikhonov正则化和子空间投影法相结合的混合正则化方法,将高维的、不适定的载荷辨识问题转化为低维的适定问题,以利于快速求解。提出了一种新方法来确定合适的投影子空间维数,然后应用L曲线准则来寻找低维正则化问题的最优正则化参数。最后通过算例验证了系统建模方法的精度和载荷辨识算法的有效性与稳定性。

Ma4下超燃发动机乙烯点火及火焰传播过程试验研究

在直连式脉冲燃烧设备上,开展了模拟Ma4,总温935K来流参数下的超燃发动机乙烯点火试验。试验利用了火炬点火器和引导氢气的辅助点火方式,实现了乙烯的点火和稳定燃烧。结合壁面压力测量、高速摄影和数值模拟方法,分析点火及火焰传播过程发现:(1)在现有的注油方式下,回流区有利于点火,剪切层和凹槽后部是稳焰的主要区域;(2)点火成功后,影响凹槽稳焰的主要因素为燃料与氧化剂的浓度,剪切层内和凹槽后部持续卷吸氧化剂,因而能够维持稳定的燃烧;(3)凹槽下游注入的燃料发生燃烧造成流道一定程度壅塞,是提升燃烧室压力水平的重要原因,但该处的燃烧不能够稳定,引起燃烧室内压力的振荡,而导致该处不稳定燃烧的2个主要因素为变化的氧含量和较高的流速。

马赫数4下氢气自燃辅助乙烯点火实验研究

为了研究氢气自燃辅助乙烯点火的具体点火参数和点火性能，在直连式脉冲燃烧风洞设备上进行了模拟飞行马赫数4条件下的超燃发动机乙烯点火试验，试验来流的总温935K，总压0．8MPa．隔离段入口马赫数2．1。试验利用不同质量流量的引导氢气自燃辅助点火，成功实现了乙烯燃料的点火和稳定燃烧。通过流场显示和壁面压力测量发现：（1）能够成功点火的引导氢气流量范围为0．43～12．61g／s，相当于当量比0．005～0．142；（2）0．43g／s流量氢气注入燃烧室后10ms以内被点燃，乙烯燃料注入后经过了约20ms才被点燃，点火的主要位置为凹槽内；（3）6．68g／s的氢气注入燃烧室后20ms才被点燃，乙烯燃料注入后约8ms即被点燃，点火的主要位置为凹槽下游和凹槽出口位置；（4）点火试验中火焰能够在凹槽内和剪切层内向上游逆传；（5）凹槽下游和下壁面的燃烧，是促进凹槽内燃烧、提升燃烧室压力和引起燃烧室压力震荡的主要原因。

载荷辨识方法用于脉冲风洞模型阻力测量研究

对载荷辨识方法用于脉冲燃烧风洞模型阻力测量的可行性进行了研究。设计了钝头锥模型阻力测量试验系统,通过突然卸载的方式对系统进行了动态标定,辨识得到了系统结构动力学参数,建立了系统动力学模型。基于脉冲风洞的工作特性,采用斜坡阶跃函数与傅里叶级数之和描述模型的载荷历程,将载荷辨识问题转化为函数参数辨识问题,采取先辨识斜坡阶跃函数参数再用最小二乘方法求傅里叶级数系数的求解策略。通过使理论计算输出在低频段逼近实测输出来确定傅里叶级数的项数。首先通过数值仿真检验了方法的有效性,然后在脉冲燃烧风洞进行了两车试验,基于天平输出对模型阻力进行了辨识,结果与CFD预测值吻合良好。

超燃冲压发动机带凹槽的燃烧室流场振荡研究

为了分析闭式凹槽的流场振荡现象,结合试验和二维非定常数值模拟方法,开展了三种条件下的非定常研究。通过实验发现,长深比较大的凹槽作为超燃冲压发动机火焰稳定装置时,凹槽的冷流流场存在强烈的振荡现象。结合二维非定常数值模拟方法,初步分析了振荡机理:振荡的主要原因是燃烧室入口气流马赫数的大小,马赫数2.0条件下,流场周期振荡;马赫数3.0条件下,流场可以稳定存在。根据分析结果给出了流场特征与马赫数的定性依赖关系。通过增加隔离段长度的方法对分析结果进行了验证。

燃烧场波系显示及燃烧区域诊断研究

燃烧场的流场诊断研究,有利于燃烧室的结构设计和燃烧状态的组织。研究主要采用激光纹影/阴影和差分干涉方法显示燃烧场的波系结构,并用羟基平面激光诱导荧光(OH-PLIF)方法诊断燃烧边界和核心燃烧区域,得到了清晰的燃烧场波系显示结果和燃烧情况的PLIF显示结果。将差分干涉/激光阴影和PLIF方法结合,可以考察波系结构与燃料燃烧的关系。研究采用了一种新型消相干技术的激光纹影,可以像常规纹影一样用刀口切割光源像,不会产生明显的激光散斑和衍射现象;同时在工程上将波系结构显示和PLIF进行同步诊断,也是比较有意义的工作。该工作对于超声速燃烧流场的研究具有参考意义。