高超声速进气道的设计、计算与实验研究

论文摘要

采用数值计算与地面实验相结合的方法,对高超声速进气道的设计方法、性能变化规律与地面实验中存在的若干问题开展了研究。在归纳二维进气道和三维侧压式进气道设计方法的基础上,通过参数制约关系分析和参数敏感性分析,提出了二维进气道的参数化设计方法。该方法选用的几何控制参数可以敏感地影响进气道各项性能,能够通过调节控制参数设计出不同的进气道构型,为优化设计提供了可靠的途径。研究了进气道各方面性能随构型参数和流动条件的变化规律。指出前体第一楔角、前体总折转角对进气道总压恢复、扩压比和流量捕获等性能产生关键影响:外罩第一楔角、进气道内收缩比对进气道的总压恢复和启动性能产生关键影响。通过分析侧压式进气道的流场结构,定义了侧压式进气道的两种溢流方式,并指出压差溢流是侧压式进气道溢流的重要方式。通过数值计算研究了边界层流态对进气道性能的影响,并就这一问题在炮风洞中开展了边界层强制转捩实验研究。结果证实了湍流边界层在抑制进气道流动分离、改善进气道性能等方面具有十分重要的作用,指出在高马赫数风洞中的进气道实验需要仔细分析边界层流态,并慎重对待具体实验结果。开展了脉冲风洞喷管启动过程及其与进气道启动相互耦合过程的数值计算与实验研究,揭示了较高初始真空压力条件下喷管启动激波波后的低马赫数非定常流动是影响进气道启动的根本原因,在脉冲风洞中开展的进气道实验需要注意避免这一问题。建立并发展了能够应用于进气道与燃烧室耦合过程研究的源项方法和并行数值计算方法,为进气道/燃烧室相互影响规律研究和一体化构型飞行器的气动/推进性能研究提供了高效的分析工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 进气道研究的工程背景及意义
• 1.2 高超声速进气道研究范畴分析
• 1.2.1 进气道界面划分
• 1.2.2 进气道研究内容
• 1.2.3 进气道研究需要解决的关键问题
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 国内外超燃研究概况
• 1.3.2 国内外进气道研究概况
• 1.4 进气道研究存在的问题及本文开展的工作
• 第二章 高超声速进气道设计方法初步研究
• 2.1 高超声速进气道设计要点
• 2.1.1 进气道启动及耐反压性能
• 2.1.2 设计与非设计状态下进气道的流量捕获特性
• 2.1.3 进气道的扩压与压力恢复性能
• 2.2 高超声速进气道设计的基本原则和方法
• 2.2.1 高超声速飞行器前体设计
• 2.2.2 高超声速进气道内通道构型设计
• 2.2.3 高超声速进气道隔离段设计
• 2.3 二维进气道的参数化设计方法
• 2.3.1 参数制约关系与参数敏感度分析
• 2.3.2 参数化设计流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 高超声速进气道性能的计算与分析
• 3.1 流场数值计算方法及算例验证
• 3.1.1 数值方法及差分格式
• 3.1.2 计算算例
• 3.2 进气道启动性能的计算与分析
• 3.2.1 启动性能的数值计算方法及初边值条件的设定
• 3.2.2 来流马赫数对进气道启动过程的影响
• 3.2.3 燃烧室反压对进气道启动过程的影响
• 3.3 前体对进气道性能影响的计算分析
• 3.3.1 前体构型、流量系数和总压恢复系数相互影响关系
• 3.3.2 前体长度、摩擦阻力和总压恢复性能相互影响关系
• 3.4 二维参数化进气道性能分析
• 3.4.1 进气道几何构型随控制参数变化规律分析
• 3.4.2 进气道性能随几何控制参数变化规律分析
• 3.5 侧压式进气道性能分析
• 3.5.1 侧压进气道的溢流特性
• 3.5.2 侧板构型对进气道性能的影响
• 3.5.3 侧压式进气道启动特性及流场结构分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 高超声速进气道的实验研究与分析
• 4.1 高焓燃气风洞中的进气道实验及结果分析
• 4.1.1 φ330mm高焓燃气自由射流风洞简介
• 4.1.2 实验目的及模型设计
• 4.1.3 Model Inlet A实验数据分析
• 4.1.4 Model Inlet B实验数据分析
• 4.1.5 Model Inlet C实验数据分析
• 4.1.6 二维进气道Model Inlet D实验数据分析
• 4.1.7 实验小结
• 4.2 高超声速炮风洞中的进气道实验及结果分析
• 4.2.1 KD-01高超声速炮风洞简介
• 4.2.2 实验目的及模型设计
• 4.2.3 Model Inlet E结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 边界层流态对进气道性能影响研究
• 5.1 流态对进气道性能影响的CFD研究
• 5.1.1 二维参数化进气道
• 5.1.2 侧压式进气道
• 5.2 进气道前体边界层强制转捩实验研究
• 5.2.1 边界层转捩研究概况
• 5.2.2 实验模型及实验方案设计
• 5.2.3 炮风洞中边界层强制转捩实验
• 5.2.4 高焓燃气风洞中边界层强制转捩实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 脉冲风洞与进气道启动耦合过程研究
• 6.1 研究概况
• 6.2 喷管内进气道启动过程的理论分析与CFD研究
• 6.2.1 脉冲风洞喷管启动过程分析
• 6.2.1 喷管启动过程的一维数值模拟
• 6.2.2 喷管内进气道启动过程的二维数值模拟
• 6.3 炮风洞中侧压进气道启动过程实验研究
• 6.3.1 实验模型及方案设计
• 6.3.2 实验结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 进气道内外流场的并行数值计算与分析
• 7.1 燃烧简化模型的建立
• 7.1.1 控制方程及方法描述
• 7.1.2 模型验证
• 7.2 流场计算的并行处理方法
• 7.2.1 并行计算软硬件平台
• 7.2.2 并行计算策略
• 7.2.3 网格及边界条件处理方法
• 7.2.4 计算算例
• 7.3 进气道内外流场并行计算与分析
• 7.3.1 二维进气道内外流场的计算结果及分析
• 7.3.2 三维进气道内外流场计算结果及分析
• 7.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 附录A 内压式进气道的启动限制