【摘要】：本文探索了進(jìn)氣道反設(shè)計與流場快速預(yù)估方法,同時采用大渦模擬對超聲速進(jìn)氣道肩部的典型流動進(jìn)行了模擬和分析。首先,開發(fā)了一套基于彎曲激波壓縮的反設(shè)計與流場快速預(yù)估程序。對設(shè)計型面進(jìn)行無粘計算發(fā)現(xiàn),無粘CFD得到的壁面壓力分布以及激波的位置和形態(tài)與設(shè)計條件吻合良好;流場快速預(yù)估功能得到的進(jìn)氣道性能參數(shù)以及波系結(jié)構(gòu)與無粘CFD相差較小。在固沖進(jìn)氣道的設(shè)計中,適當(dāng)?shù)靥岣邇?nèi)收縮比可以明顯提高進(jìn)氣道性能;喉道等直段長度和出口面積的選擇需要對總壓恢復(fù)系數(shù)和抗反壓能力的需求進(jìn)行權(quán)衡。其次,基于OpenFOAM函數(shù)庫發(fā)展了一套針對超聲速內(nèi)流的大渦模擬方法,并對超聲速平板流動進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明:計算所得速度平均場分布、速度脈動場分布、壁面摩阻系數(shù)和邊界層各向異性分布均與現(xiàn)有理論或DNS數(shù)據(jù)吻合較好。再次,采用上述大渦模擬方法對肩部連續(xù)膨脹的超聲速邊界層進(jìn)行了計算,并且引入聲速射流對邊界層的層流化進(jìn)行了控制。研究表明:邊界層膨脹后,大尺度渦結(jié)構(gòu)數(shù)量減少;壁面摩阻系數(shù)在小幅度升高后急劇降低;外層邊界層氣流加速,而內(nèi)層邊界層切向速度明顯降低;邊界層形狀因子增大,抵抗分離的能力下降;湍動能大幅度降低,尤其是內(nèi)層邊界層。引入射流后,對以上現(xiàn)象均起到了良好的控制作用,有效地抑制了肩部邊界層的層流化。最后,對肩部激波/邊界層干擾進(jìn)行了大渦模擬研究,并引入射流對邊界層進(jìn)行了控制。結(jié)果表明:激波的加入使得邊界層湍流強(qiáng)度大幅度增加,膨脹段出現(xiàn)大量渦結(jié)構(gòu);入射激波在邊界層內(nèi)存在明顯的展向非定常運(yùn)動;渦結(jié)構(gòu)與入射激波發(fā)生碰撞,局部地改變了入射激波的形態(tài);壁面溫度脈動的變化相對于壓力脈動存在流向方向遲滯現(xiàn)象。加入射流后,分離包的法向方向尺寸大幅度提高,影響到射流形態(tài),進(jìn)而惡化了射流槽上游分離;總體來說,射流使得整個膨脹段內(nèi)湍流強(qiáng)度顯著提高。所采用射流未能很好控制分離,參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整。
【圖文】：

第一章 緒論 研究背景及意義隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，人造飛行器已逐漸踏入高超聲速領(lǐng)域。在這種情況下進(jìn)氣道中的壓縮效果顯著提高，這時應(yīng)當(dāng)去除旋轉(zhuǎn)部件，采用沖壓發(fā)動機(jī)。沖壓發(fā)動機(jī)主要可以分為兩種類型：亞燃沖壓發(fā)動機(jī)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)。在高超聲速進(jìn)氣道出口滯止溫度迅速增加，，在此高溫下，氣流對發(fā)動機(jī)壁面的單位熱流量很大�？诳諝獾臏囟群芨�，燃料燃燒所放出熱量的相當(dāng)一部分可能消耗在燃燒產(chǎn)物的離解上燒效率。并且經(jīng)過大幅度壓縮，將導(dǎo)致難以承受的總壓損失。因此，高超聲速飛行時采用亞聲速燃燒，沖壓發(fā)動機(jī)的性能將嚴(yán)重地惡化。如果減小氣流在進(jìn)氣道中的壓縮程氣道出口保持超聲速流動，同時使燃燒室的整個燃燒過程都在超聲速條件下進(jìn)行，就小向發(fā)動機(jī)壁面的熱流、減小進(jìn)氣道和尾噴管中的總壓損失、減小燃燒產(chǎn)物離解所造損失。因此在高超聲速飛行時，超燃沖壓發(fā)動機(jī)有著更加優(yōu)越的性能。

等方面均存在優(yōu)勢[22]，因此逐漸受到廣泛關(guān)注和深入研究。圖1.2 所示為超聲速自由來流下彎曲激波壓縮流場[23]，其特征在于彎曲的壓縮型面，但是與Prandtl-Meyer 等熵壓縮的彎曲型面不同，這種新型壓縮中壓縮面產(chǎn)生的等熵波并不匯聚于一點(diǎn)，而是分散地與前緣斜激波產(chǎn)生相互作用，因此前緣激波將成為逐漸向外側(cè)彎曲的激波。激波后參數(shù)、出口參數(shù)的分布也不再完全均勻，而與來流條件和壓縮型面彎曲程度的分布相關(guān)。顯然與常規(guī)幾種波系配置方法相比，這種壓縮方式的設(shè)計更為靈活，可以根據(jù)需要同時調(diào)整其幾何尺寸、增壓比以及激波壓縮和等熵壓縮的比例。廣義來看，傳統(tǒng)的等熵彎曲型面與斜楔壓縮也是這種彎曲激波壓縮的特殊情況，因此這種新型彎曲激波壓縮概念的提出極大地拓寬了壓縮系統(tǒng)設(shè)計空間的范圍和設(shè)計的靈活性，有利于高性能設(shè)計方案的獲取。常規(guī)的多斜激波壓縮和Prandtl-Meyer 等熵壓縮流場中
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH122

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2656326