超燃冲压发动机隔离段流动机理及其控制的试验研究

发布时间：2019-11-20 12:12

【摘要】：高超声速推进技术是国际前沿的研究热点,其中双模态超燃冲压发动机技术的发展受到极大关注。隔离段作为双模态超燃冲压发动机的重要组成部分,具有实现发动机模态转换、匹配燃烧室入口条件、防止发动机不启动等作用,对发动机的性能具有关键性影响。激波串结构是隔离段内部一种连续激波结构与边界层之间强烈的相互作用的流动现象,具有明显的三维性、非定常性。目前国内外关于隔离段精细流动结构的试验研究极少,而其流动机理的进一步研究对传统的测试技术又提出了较大的挑战。为此,本文设计了2座适合开展NPLS(Nanoparticle-based Planar Laser Scattering)精细流动测量的隔离段试验风洞,采用NPLS、高频压力测量、高速纹影等试验技术,开展了隔离段的流场时空结构特性、流动控制、边界条件对隔离段性能的影响、进气道-隔离段-点火区后台阶流场结构等方面的试验研究。通过图像技术、小波分解、POD(Proper Orthogonal Decomposition)分解等方法,分析了激波串流场复杂的瞬态三维结构、非定常性、压力脉动、激波串前缘检测、流动控制效果等方面的特性。采用NPLS技术获得了隔离段激波串流场的瞬态结构,研究结果表明激波串结构引起了隔离段壁面边界层的多次分离、再附,并且在大宽/高比截面的隔离段中展向与流向的激波串结构表现出明显的非同步性,其结构的三维性非常突出。流动结构的非定常性研究表明,激波串结构的相关性系数随时间的变化满足指数关系。当时间间隔小于20μs时,激波串主要是出现小尺度结构变化;而当时间间隔大于20μs时,激波串则开始出现大尺度变形、退化、消失和移动。基于NPLS技术以及图像处理能够直观地测量到激波串长度,与压力测量对比表明两种方法的结果较为符合。采用了功率谱分析、标准差、累和等多种方法探测激波串前缘位置,分析了激波串在形成以及向上游运动的过程中的压力特征:在激波串形成之后,其前缘位置出现压力脉动的最大幅值;激波串前缘过后,脉动有所降低,但压力继续维持升高趋势;当不启动发生时或激波串退回下游之后,脉动幅值又恢复到之前状态。激波串的运动受下游的节流速度影响,但是反压的变化相对而言是描述激波串运动规律的更好途径。无量纲分析表明,反压与激波串前缘位置之间呈抛物线关系。小波分解的结果显示,根据不同频率的压力脉动分量大小可以将激波串的运动分为3种亚状态,包括以低频压力脉动为主的激波串头部到达、以高频压力脉动为主、且向不启动状态转变的过渡状态以及两者中间相对稳定的状态。对于流动控制方面,在隔离段入口分别布置了流向Delta涡流发生器和展向梯形涡流发生器阵列,其结果表明:在流向Delta涡流发生器作用下,激波串结构受流向涡量作用时发生剧烈变形;而受展向梯形涡流发生器的影响,隔离段则产生相对较薄的边界层以及一系列分叉正激波组成的激波串。在通流状态下,无控制隔离段能够获得最大的压力恢复;而当隔离段工作于亚燃状态时,受到高压比的作用,梯形控制方法则能够获得更大的压力恢复与推力;当隔离段处于临界状态时,梯形涡流发生器控制可以得到更高的抗反压能力。为了探索非对称来流条件对隔离段流场的影响,开展了来流马赫数Ma=3.0,3.4,3.8,4.2、入口头罩攻角在0°~16°范围的隔离段流场试验研究。结果表明头罩攻角为0°~2°时,收缩比较大、易造成隔离段非正常启动,尤其是低马赫数时。4°~12°时,各马赫数都较容易启动。14°~16°时,在高马赫数时表现较好。因此头罩攻角在4°~12°范围内能够为隔离段启动提供适度收缩的启动条件。隔离段出口的节流装置可以模拟隔离段从通流状态至隔离段堵塞而不启动状态。结果表明由于隔离段堵塞,出口反压增大向上游传递,导致了严重的边界层分离、强烈的激波边界层相互作用以及滑移线上移等。压力分布曲线显示,8°头罩攻角下的隔离段能够提供最大抗反压能力。在相同节流条件下随着马赫数的增加,隔离段的启动情况得到改善。在高超声速脉冲风洞中开展了进气道-隔离段整体性能研究,结果表明:进气道前体压缩面的前缘半径增大,将导致前体压缩面的壁面边界层厚度增加、转捩提前。而进气道整体攻角的增大,则主要引起前体压缩面的壁面边界层转捩提前。进气道头罩角度的增大使收缩比逐渐增大、压力分布震荡加剧同时启动性能降低。采用NPLS-DT(NPLS-Density Testing)及光线追迹法分析了隔离段下游燃烧室作为点火区的后台阶流场,其OPD(Optic Path Difference)分布以及POD分解的物理解释表明,点火区再附现象伴随了强烈的密度脉动对激波串和火焰的稳定性产生较大影响。
【图文】：

示意图,双模态,亚燃,超声速

国防科学技术大学研究生院博士学位论文速条件并达到热阻塞状态。然而，，当速度进一步增加至马赫 7 时，流动被阻塞导致了压力损失的增加以及运行效率的降低。从亚声速燃烧到超声速燃烧的转变是通过控制燃烧产生的热量释放（燃烧放热）来实现的，这样热阻塞就会有所减弱一旦放热减少到一定程度，流动将不再被阻塞并且发动机内部的流动大部分是超声速。对于给定的发动机马赫数，放热水平的降低可以通过减小燃料-流动的比率那么当燃烧发生于超声速时，双模态发动机就工作于超燃模态。

示意图,激波,串结构,压力分布

激波串结构及其压力分布示意图
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V235.21

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