高超声速飞行器机体/发动机一体化构型设计与性能研究

论文摘要

论文结合风洞实验与数值模拟方法,对基于升力体构型的高超声速飞行器机体/发动机一体化设计与性能分析方法进行了研究。在借鉴国内超燃冲压发动机研究成果的基础上,完成了高超声速一体化飞行器基准构型的设计,在发动机关闭和发动机通流状态下开展了缩比模型风洞实验,并结合数值模拟方法,对基准构型在发动机关闭状态和通流状态下的流场特征以及纵向气动性能进行了研究。计算结果与实验结果基本吻合,验证了数值计算技术的可靠性。采用数值模拟方法研究了不同模型尺度以及来流条件对飞行器气动性能的影响,分析了风洞实验条件与飞行条件下数值模拟数据产生差别的原因,指出了发动机通流状态下摩阻系数的不同是导致二者产生差别的主要原因。发展了一套模拟超燃冲压发动机燃烧流场的计算程序ChemTur3D,考虑了湍流与与化学反应非平衡效应以精确模拟氢/空气混合与燃烧。该程序数值求解三维RANS方程,采用有限体积法离散计算域。反应模型采用七组份八方程,湍流模型采用Menter提出的SST湍流模型,对流项采用AUSM+以及二阶MUSCL格式求解,粘性项采用中心差分格式求解,应用LU-SGS以及点隐式方法进行时间迭代。在MPICH环境下实现了并行计算,通过相关算例验证了程序的可靠性。数值模拟了直连式超燃冲压发动机以及飞行器基准构型的燃烧室/尾喷管一体化燃烧流场,对燃烧室内的流场特征进行了分析。根据飞行器一体化算力体系划分方法,结合气动数据与推进数据,对飞行器基准构型在发动机点火状态下的性能进行了研究。结果表明,飞行器基准构型在攻角小于3度时可以产生净正推力,但存在配平攻角较大等缺点。在冷流状态下,进行了不同部件构型设计对飞行器整体性能影响的研究,发现机身上表面构型采用卡门曲线设计,可增加低头力矩,有利于配平前体下表面产生的较大抬头力矩。在点火状态下,针对不同燃料混合增强装置、不同燃料喷注位置及当量比对飞行器整体性能的影响进行了研究。将以上研究成果应用于飞行器优化构型的设计,优化构型的容积比基准构型增加16%,通过采用数值模拟方法对优化构型在三种工作状态下的性能进行研究,表明优化构型的配平攻角较小,综合性能较优。论文为研究高超声速飞行器在真实飞行中不同工作状态转变下的性能变化以及一体化构型设计奠定了一定基础。

论文目录

• 目录
• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究发展综述
• 1.2.1 吸气式高超声速推进技术研究进展
• 1.2.2 机身构型设计研究进展
• 1.2.3 超燃冲压发动机研究进展
• 1.2.4 机体/发动机一体化设计研究进展
• 1.3 研究存在的问题和不足
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 飞行器基准构型设计与分析方法研究
• 2.1 一体化飞行器参数化建模
• 2.2 一体化飞行器基准构型设计
• 2.2.1 进气道
• 2.2.2 隔离段
• 2.2.3 燃烧室
• 2.2.4 尾喷管
• 2.2.5 机身上表面
• 2.2.6 机翼
• 2.2.7 飞行器基准构型部件组成
• 2.3 一体化飞行器性能分析方法
• 2.3.1 坐标系定义
• 2.3.2 一体化飞行器算力体系划分
• 2.3.3 冷流状态分析方法
• 2.3.4 点火状态分析方法
• 2.4 小结
• 第三章 飞行器基准构型冷流状态性能研究
• 3.1 飞行器基准构型冷流实验系统
• 3.2 飞行器基准构型实验模型设计
• 3.3 发动机关闭状态气动性能研究
• 3.3.1 数值模拟方法与计算网格
• 3.3.2 全机流场特征研究
• 3.3.3 全机气动性能研究
• 3.3.4 各部件受力研究
• 3.3.5 模型缩比尺度的影响
• 3.3.6 不同来流条件的影响
• 3.4 发动机通流状态气动性能研究
• 3.4.1 数值模拟方法与计算网格
• 3.4.2 全机流场特征研究
• 3.4.3 全机气动性能研究
• 3.4.4 各部件受力研究
• 3.4.5 模型缩比尺度的影响
• 3.4.6 不同来流条件的影响
• 3.5 通流前后飞行器气动性能变化研究
• 3.6 小结
• 第四章 湍流化学反应流动的数值模拟方法
• 4.1 流动控制方程
• 4.2 热力学关系
• 4.3 化学反应动力学模型
• 4.4 SST两方程湍流模型
• 4.5 有限体积离散方法
• 4.6 隐式LU-SGS迭代方法
• 4.7 AUSM+差分格式
• 4.8 基于MPI的并行计算
• 4.9 小结
• 第五章 超燃冲压发动机燃烧流场的数值模拟
• 5.1 直连式超燃冲压发动机流场数值模拟
• 5.1.1 计算模型
• 5.1.2 计算网格
• 5.1.3 边界条件
• 5.1.4 计算结果分析
• 5.2 飞行器基准构型发动机流场数值模拟
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 计算网格
• 5.2.3 边界条件
• 5.2.4 计算结果分析
• 5.2.5 发动机点火状态性能研究
• 5.3 均匀来流条件下发动机流场数值模拟
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 计算网格
• 5.3.3 边界条件
• 5.3.4 计算结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 部件构型改进设计研究
• 6.1 冷流状态下部件改进设计研究
• 6.1.1 不同部件构型研究
• 6.1.2 不同部件长度研究
• 6.2 点火状态下不同构型发动机性能研究
• 6.2.1 不同燃料混合增强装置的影响
• 6.2.2 不同燃料喷注位置及喷注当量比研究
• 6.3 小结
• 第七章 飞行器优化构型性能研究
• 7.1 发动机关闭状态飞行性能研究
• 7.1.1 全机流场特征研究
• 7.1.2 全机气动性能研究
• 7.2 发动机通流状态飞行性能研究
• 7.2.1 全机流场特征研究
• 7.2.2 全机气动性能研究
• 7.3 发动机点火状态飞行性能研究
• 7.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 组份常数与化学反应动力学模型
• 附录B 湍流化学反应程序的数值验证
• B.1 二维超声速横向喷流流动
• B.2 二维超声速后向台阶流动
• B.3 交叉激波湍流边界层干扰
• B.4 三维等直管道内喷氢流动