超燃沖壓發(fā)動機隔離段流動機理及其控制的試驗研究.pdf

1、高超聲速推進技術是國際前沿的研究熱點，其中雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機技術的發(fā)展受到極大關注。隔離段作為雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機的重要組成部分，具有實現(xiàn)發(fā)動機模態(tài)轉換、匹配燃燒室入口條件、防止發(fā)動機不啟動等作用，對發(fā)動機的性能具有關鍵性影響。
　　激波串結構是隔離段內部一種連續(xù)激波結構與邊界層之間強烈的相互作用的流動現(xiàn)象，具有明顯的三維性、非定常性。目前國內外關于隔離段精細流動結構的試驗研究極少，而其流動機理的進一步研究對傳統(tǒng)的測試技術又提出

2、了較大的挑戰(zhàn)。為此，本文設計了2座適合開展 NPLS（Nanoparticle-based Planar Laser Scattering）精細流動測量的隔離段試驗風洞，采用NPLS、高頻壓力測量、高速紋影等試驗技術，開展了隔離段的流場時空結構特性、流動控制、邊界條件對隔離段性能的影響、進氣道-隔離段-點火區(qū)后臺階流場結構等方面的試驗研究。通過圖像技術、小波分解、POD（Proper Orthogonal Decomposition）分

3、解等方法，分析了激波串流場復雜的瞬態(tài)三維結構、非定常性、壓力脈動、激波串前緣檢測、流動控制效果等方面的特性。
　　采用 NPLS技術獲得了隔離段激波串流場的瞬態(tài)結構，研究結果表明激波串結構引起了隔離段壁面邊界層的多次分離、再附，并且在大寬/高比截面的隔離段中展向與流向的激波串結構表現(xiàn)出明顯的非同步性，其結構的三維性非常突出。流動結構的非定常性研究表明，激波串結構的相關性系數隨時間的變化滿足指數關系。當時間間隔小于20μs時，激波串

4、主要是出現(xiàn)小尺度結構變化；而當時間間隔大于20μs時，激波串則開始出現(xiàn)大尺度變形、退化、消失和移動?；?NPLS技術以及圖像處理能夠直觀地測量到激波串長度，與壓力測量對比表明兩種方法的結果較為符合。采用了功率譜分析、標準差、累和等多種方法探測激波串前緣位置，分析了激波串在形成以及向上游運動的過程中的壓力特征：在激波串形成之后，其前緣位置出現(xiàn)壓力脈動的最大幅值；激波串前緣過后，脈動有所降低，但壓力繼續(xù)維持升高趨勢；當不啟動發(fā)生時或激波串

5、退回下游之后，脈動幅值又恢復到之前狀態(tài)。激波串的運動受下游的節(jié)流速度影響，但是反壓的變化相對而言是描述激波串運動規(guī)律的更好途徑。無量綱分析表明，反壓與激波串前緣位置之間呈拋物線關系。小波分解的結果顯示，根據不同頻率的壓力脈動分量大小可以將激波串的運動分為3種亞狀態(tài)，包括以低頻壓力脈動為主的激波串頭部到達、以高頻壓力脈動為主、且向不啟動狀態(tài)轉變的過渡狀態(tài)以及兩者中間相對穩(wěn)定的狀態(tài)。
　　對于流動控制方面，在隔離段入口分別布置了流向D

6、elta渦流發(fā)生器和展向梯形渦流發(fā)生器陣列，其結果表明：在流向Delta渦流發(fā)生器作用下，激波串結構受流向渦量作用時發(fā)生劇烈變形；而受展向梯形渦流發(fā)生器的影響，隔離段則產生相對較薄的邊界層以及一系列分叉正激波組成的激波串。在通流狀態(tài)下，無控制隔離段能夠獲得最大的壓力恢復；而當隔離段工作于亞燃狀態(tài)時，受到高壓比的作用，梯形控制方法則能夠獲得更大的壓力恢復與推力；當隔離段處于臨界狀態(tài)時，梯形渦流發(fā)生器控制可以得到更高的抗反壓能力。
　

7、　為了探索非對稱來流條件對隔離段流場的影響，開展了來流馬赫數Ma=3.0，3.4，3.8，4.2、入口頭罩攻角在0°~16°范圍的隔離段流場試驗研究。結果表明頭罩攻角為0°～2°時，收縮比較大、易造成隔離段非正常啟動，尤其是低馬赫數時。4°～12°時，各馬赫數都較容易啟動。14°～16°時，在高馬赫數時表現(xiàn)較好。因此頭罩攻角在4°～12°范圍內能夠為隔離段啟動提供適度收縮的啟動條件。隔離段出口的節(jié)流裝置可以模擬隔離段從通流狀態(tài)至隔離段堵

8、塞而不啟動狀態(tài)。結果表明由于隔離段堵塞，出口反壓增大向上游傳遞，導致了嚴重的邊界層分離、強烈的激波邊界層相互作用以及滑移線上移等。壓力分布曲線顯示，8°頭罩攻角下的隔離段能夠提供最大抗反壓能力。在相同節(jié)流條件下隨著馬赫數的增加，隔離段的啟動情況得到改善。
　　在高超聲速脈沖風洞中開展了進氣道-隔離段整體性能研究，結果表明：進氣道前體壓縮面的前緣半徑增大，將導致前體壓縮面的壁面邊界層厚度增加、轉捩提前。而進氣道整體攻角的增大，則主要