一种改善高超声速进气道自起动能力的流场控制研究

摘要

为改善高超声速进气道低马赫数下自起动能力进而拓宽进气道工作马赫数范围，本文提出一种回流通道封闭式自动流场控制方案，并采用数值模拟与风洞试验验证相结合的方法对不带/带回流通道进气道自起动过程、流场变化特征及气动性能开展了研究。
　　首先，完成了二元高超声速进气道的几何型面设计，通过初步的数值仿真分析了进气道不起动/起动流场特征，结果表明：不同工作状态下，进气道呈现出截然不同的流态特征，进气道入口前压缩面内静压分布规律发生显著变化。借助于进气道不起动流场中分离诱导激波前后静压差，本文提出了一种回流通道流场控制概念。
　　然后，采用定常数值仿真方法对回流通道典型几何参数影响进气道流场特性和气动性能进行分析，揭示了回流通道改善流场特性的机理、获得了回流通道典型几何参数对进气道自起动性能的影响规律，并与不带回流通道进气道性能进行对比。结果显示：回流通道使进气道（内收缩比CR=1.6）自起动马赫数由Ma=4.7降低至Ma=3.6，进气道工作马赫数范围显著拓宽；回流通道进口位置对进气道自起动马赫数存在较大影响，但回流通道出口位置、回流通道宽度对进气道自起动马赫数几乎无影响；由于回流通道使进气道工作马赫数降低，因此低马赫数时，进气道性能有明显改善，而高马赫数下回流通道对进气道性能几乎不产生影响。
　　接着，对不带/带回流通道进气道（内收缩比CR=2.0）开展三维计算域下的CFD仿真计算及典型状态下风洞试验。结果表明来流条件下不带回流通道进气道未能起动，进气道入口处形成较大一个呈周期脉动的分离包。而带回流通道进气道唇口处大分离包及诱导激波消失，进气道正常起动工作。且在大攻角来流工况下，进气道起动流场仍能正常建立，说明带回流通道进气道自起动马赫数显著低于马赫5.0，进气道自起动能力得以明显改善。
　　最后，对回流通道引流过程进行非定常数值模拟，发现回流通道开启的瞬间，回流量迅速上升至最大值而后逐渐下降直至趋于平稳，而整个过程中进气道捕获流量呈现出完全相反的变化趋势；通过移动后堵锥对来流条件下高超声速进气道的再起动过程进行了研究，由试验现象观察到：出口反压的持续下降使处于不起动状态的进气道实现再起动，根据各阶段流场特征可将进气道再起动过程大致划分为大幅度喘振、内通道运动波系吞入及隔离段出口附近小幅高频脉动三个过程。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2进气道起动问题

1.3国外内研究现状

1.4本文的主要研究工作

第二章 进气道型面设计及流场控制概念的提出

2.1引言

2.2二元高超声速进气道设计

2.3回流通道流场控制概念的提出

2.4小结

第三章 回流通道流场控制机理及典型几何参数规律性研究

3.1引言

3.2物理模型与数值计算方法

3.3数值方法校验

3.4回流通道改善进气道自起动能力机理

3.5回流通道典型几何参数影响规律

3.6全马赫数范围内回流通道对进气道性能的影响

3.7小结

第四章 回流通道流场控制方案试验研究

4.1引言

4.2二元高超进气道试验介绍

4.3进气道模型数值仿真方法

4.4结果与分析

4.5小结

第五章 结论与展望

5.1主要结论

5.2本文创新点

5.3工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录 动态压力信号功率谱密度