非常规隔离段流场特征与气动性能的数值研究

摘要

隔离段是高超声速推进系统关键的气动部件之一，其性能影响着推进系统的稳定工作裕度。隔离段截面形状、隔离段长度与当量直径比是影响隔离段性能的两个主要因素，本文在长度与当量直径比相同的前提下，对三种不同截面类型的隔离段（椭圆形隔离段、方转椭圆隔离段和矩形隔离段）进行了三维数值仿真。分析了不同截面形状下隔离段的流场特征，总结了截面形状变化对隔离段性能影响的规律，给出了不同来流条件下隔离段出口参数的变化趋势，可以为今后非常规隔离段的设计提供参考。 首先分析了隔离段截面形状对其内部流场特征的影响。研究发现，不同截面形状的隔离段，其流场特征和激波串结构不同，进而影响其抗反压能力。结果表明，在均匀来流条件下，当来流马赫数小于2 时，流场和激波串结构基本对称；当来流马赫数大于2时，流场和激波串结构出现不对称，此时激波串不再关于隔离段几何中线对称，随着来流马赫数增大，这种不对称现象加剧。 其次研究了隔离段截面形状对其气动性能的影响。对比分析发现，椭圆形隔离段抗反压能力较强，方转椭圆隔离段次之，矩形隔离段最弱。其中椭圆形隔离段的抗反压能力随着长短半轴比减小逐渐增强，当长短半轴比为1 时（即圆形），隔离段的抗反压能力最强；方转椭圆隔离段的抗反压能力受截面变化规律影响很大；矩形隔离段的抗反压能力则随着宽高比增大而减弱。同时结果表明，隔离段截面形状对出口马赫数和温升比基本没有影响，而对出口总压恢复影响显著。其中，圆形隔离段总压恢复最大，方转椭圆隔离段总压恢复最小。 最后研究了来流条件对隔离段性能的影响。结果表明，随着来流马赫数增大，隔离段抗反压能力逐渐增强，而出口总压恢复和马赫数减小，温升比升高。研究发现，对于椭圆形隔离段，在不同来流马赫数下，当隔离段承受最大反压时，出口马赫数基本相同。