非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究

南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究姓名：申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：航空宇航推進(jìn)理論與工程指導(dǎo)教師：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文摘

要隔離段是高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵的氣動部件之一，其性能影響著推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作裕度。隔離段截面形狀、隔離段長度與當(dāng)量直徑比是影響隔離段性能的兩個(gè)主要因素，本文在長度與當(dāng)量直徑比相同的前提下，對三種不同截面類型的隔離段（橢圓形隔離段、方轉(zhuǎn)橢圓隔離段和矩形隔離段）進(jìn)行了三維數(shù)值仿真。分析了不同截面形狀下隔離段的流場特征，總結(jié)了截面形狀變化對隔離段性能影響的規(guī)律，給出了不同來流條件下隔離段出口參數(shù)的變化趨勢，可以為今后非常規(guī)隔離段的設(shè)計(jì)提供參考。首先分析了隔離段截面形狀對其內(nèi)部流場特征的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同截面形狀的隔離段，其流場特征和激波串結(jié)構(gòu)不同，進(jìn)而影響其抗反壓能力。結(jié)果表明，在均勻來流條件下，當(dāng)來流馬赫數(shù)小于2時(shí)，流場和激波串結(jié)構(gòu)基本對稱；當(dāng)來流馬赫數(shù)大于2時(shí)，流場和激波串結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不對稱，此時(shí)激波串不再關(guān)于隔離段幾何中線對稱，隨著來流馬赫數(shù)增大，這種不對稱現(xiàn)象加劇。其次研究了隔離段截面形狀對其氣動性能的影響。對比分析發(fā)現(xiàn)，橢圓形隔離段抗反壓能力較強(qiáng)，方轉(zhuǎn)橢圓隔離段次之，矩形隔離段最弱。其中橢圓形隔離段的抗反壓能力隨著長短半軸比減小逐漸增強(qiáng)，當(dāng)長短半軸比為1時(shí)（即圓形），隔離段的抗反壓能力最強(qiáng)；方轉(zhuǎn)橢圓隔離段的抗反壓能力受截面變化規(guī)律影響很大；矩形隔離段的抗反壓能力則隨著寬高比增大而減弱。同時(shí)結(jié)果表明，隔離段截面形狀對出口馬赫數(shù)和溫升比基本沒有影響，而對出口總壓恢復(fù)影響顯著。其中，圓形隔離段總壓恢復(fù)最大，方轉(zhuǎn)橢圓隔離段總壓恢復(fù)最小。最后研究了來流條件對隔離段性能的影響。結(jié)果表明，隨著來流馬赫數(shù)增大，隔離段抗反壓能力逐漸增強(qiáng)，而出口總壓恢復(fù)和馬赫數(shù)減小，溫升比升高。研究發(fā)現(xiàn)，對于橢圓形隔離段，在不同來流馬赫數(shù)下，當(dāng)隔離段承受最大反壓時(shí)，出口馬赫數(shù)基本相同。關(guān)鍵詞：隔離段，截面形狀，反壓特性，高超聲速進(jìn)氣道，數(shù)值模擬i非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究AbstractIsolatorplaysakeyroleinhypersonicpropulsionsystemanditsperformancecriticallyinfluencesthesystem’sstablyworkingregion.Basedonthethree-dimensionalCFDcalculationresults,theflowcharacteristicandaerodynamicperformanceofthenon-classicalisolatorsincludingEllipseIsolator、Rectangular-to-EllipseIsolatorandRectangularIsolator,aredetailedstudiedinthispaper.Firstly,itisshowedthattheshocktrainstructureandtheflowcharacteristicaredecidedbythecross-sectionshape,whichconsequentlyleadstodifferentperformanceofisolators.WhentheupstreamMachnumberisabove2.0,theshocktrainstructureandtheflowcharacteristicbecomesunsymmetricaleventheincomingflowconditionissymmetrical.Theinfluenceofdifferentcross-sectionshapesontheaerodynamicperformanceoftheisolatorsisdiscussedsecondly..Theellipseisolator’sabilitytosupportbackpressureisthebest,andtherectangularoneisthepoorest,whiletherectangular-to-ellipseonebecomesthemediumone.Astheratioofmajoraxistominoraxisdecreases,theEllipseIsolator’sabilitytosupportbackpressureisbecomingbetter,whichmadeitclearthatthecircularisolatorwillbethebestone.AstotheRectangular-to-EllipseIsolator,itsabilitytosupportbackpressureisinfectedbythelawofcross-sectionshapetransition.TheRectangularIsolatorcanonlysupportlowback-pressurewhentheratioofwidthtoheightishigh.AlthoughtheMachnumberandtemperatureoftheisolatoroutletareindependentofthecross-sectionshape,itisfoundthatthetotalpressurerecoveryisquitesensitivetothetheshape.AndthenumericalresultsshowedthatthetotalpressurerecoveryoftheEllipseIsolatoristhelargestandtheRectangular-to-Ellipseoneisthelowest.Finally,theeffectofincomingflowtoisolator’sperformanceisstudied.WhentheupstreamMachnumbergrowsup,thebackpressurecouldbesupportedfortheisolatrswillbeenlarged.Atthesametime,thetotalpressurerecoveryandmachnumberofoutletwillcomedownwhilethetemperaturekeepsrising.Especially,fortheEllipseIsolator,whatevertheupstreamMachnumberis,themachnumberofoutletkeepsunchangedoncebackpressurereachesmaximum.Itisbelievedthattheconclusionsinthispapermightbeusefulforthefollowinghypersonicisolatordesignwork.Keywords:Isolator,Cross-sectional,backpressurecharacter,Hypersonicinlet,Numericalsimulationii南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文附圖、附表清單附圖清單圖1.1各類發(fā)動機(jī)的工作馬赫數(shù).........................................................................................................................1圖1.2超然沖壓發(fā)動機(jī)組成部件示意圖.............................................................................................................2圖1.3隔離段工作模式.........................................................................................................................................5圖1.4來流馬赫數(shù)為3.2時(shí)，隔離段寬高比分別為1、3、6、9時(shí)的等壓線分布........................................6圖1.5來流馬赫數(shù)3.2時(shí)，基于流量平均的隔離段沿程馬赫數(shù)、靜壓、總壓分布......................................6圖1.6不同截面形狀的隔離段.............................................................................................................................7圖1.7隔離段實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞示意圖.............................................................................................................................7圖1.8M=1.61，Δ/H=0.32時(shí)計(jì)算密度等直圖譜與CARROLL實(shí)驗(yàn)紋影照片對比圖..................................10圖2.1隔離段內(nèi)激波示意圖................................................................................................................................11圖2.2隔離段計(jì)算域...........................................................................................................................................12圖2.3長短半軸比1.0、1.5、2.0、2.5橢圓隔離段橫截面網(wǎng)格...................................................................12圖2.4E2.5隔離段在M＝2.5，Л＝5.06時(shí)激波形態(tài)及其氣流分離圖.......................................................14圖2.5E2.5隔離段在M＝2.5，Л＝5.06時(shí)等Z面性能參數(shù)和壁面參數(shù)沿程分布...................................15圖2.6E2.5隔離段在M＝2.5，Л＝5.06時(shí)等Y面性能參數(shù)和壁面參數(shù)沿程分布...................................17圖2.7E2.5隔離段M＝2.5，Л＝5.06時(shí)各截面速度矢量與回流區(qū)分布圖.............................................19圖2.8E2.5隔離段M＝2.5，不同反壓下激波形態(tài)和氣流分離特征圖........................................................20圖2.9E2.5隔離段M＝2.5，不同反壓下剖面馬赫數(shù)分布圖........................................................................21圖2.10E2.5隔離段M＝2.5

Л＝6.65

時(shí)沿程壓力分布曲線.........................................................................21圖2.11E2.5隔離段M＝2.0，Л＝2.75時(shí)流場參數(shù)......................................................................................23圖2.12E2.5隔離段M＝3.0時(shí)流場參數(shù)........................................................................................................25圖2.13E1.0隔離段M＝2.0，Л＝3.89時(shí)流場參數(shù)......................................................................................26圖2.14E1.0隔離段M＝2.0不同反壓下激波中線壓力沿程分布曲線.........................................................27圖2.15E1.0、1.5、2.0隔離段M＝2.5激波形態(tài)與分離特征.......................................................................28圖2.16E1.0、E1.5、E2.0隔離段激波前橫截面馬赫數(shù)分布圖.....................................................................28圖2.17M＝2.5，E2.5、E1.0隔離段通流狀態(tài)下附面層沿程分布................................................................28圖2.18M＝2.5，E1.0、E1.5、E2.0、E2.5隔離段通流狀態(tài)下附面層沿程分布.........................................28圖2.19M＝2.5不同反壓下激波串名義長度..................................................................................................30圖2.20不同反壓下激波串名義長度.................................................................................................................30圖2.21M＝2.5，通流狀態(tài)下總壓恢復(fù)沿程分布...........................................................................................30圖2.22不同反壓下第一道激波長度.................................................................................................................30圖2.23M＝2.5，隔離段出口馬赫數(shù)...............................................................................................................30圖2.24M＝2.5，不同反壓下溫升比...............................................................................................................30圖2.25M＝2.5，隔離段最大承受反壓以及最大承受反壓下出口總壓恢復(fù)、馬赫數(shù)和溫升比................31圖2.26E1.0隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下激波串名義長度..........................................................................32圖2.27E1.0隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下出口總壓恢復(fù)..............................................................................32圖2.28E1.0隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下出口馬赫數(shù)..................................................................................32圖2.29E1.0隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下溫升比..........................................................................................32v非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究圖2.30E2.5隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下激波串名義長度..........................................................................32圖2.31E2.5隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下出口總壓恢復(fù)..............................................................................32圖2.32E2.5隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下出口馬赫數(shù)..................................................................................33圖2.33E2.5隔離段不同馬赫數(shù)不同反壓下溫升比..........................................................................................33圖2.34來流馬赫數(shù)不同，隔離段最大承受反壓以及最大反壓下的總壓恢復(fù)、馬赫數(shù)和溫升比...............33圖3.1隔離段計(jì)算域...........................................................................................................................................36圖3.2隔離段橫截面網(wǎng)格及其附面層發(fā)展段對應(yīng)的壁面...............................................................................36圖3.3E1.0隔離段馬赫數(shù)為1區(qū)域分布圖.......................................................................................................37圖3.4隔離段入口馬赫數(shù)分布...........................................................................................................................37圖3.5隔離段入口“Y”向速度分布..................................................................................................................37圖3.6E1.0隔離段Δ＝5.57MM,M＝2.5,Л=5.51時(shí)激波形態(tài)和分離特征.......................................................38圖3.7E1.0隔離段Δ＝5.57MM,M＝2.5,Л=5.51時(shí)壓力、馬赫數(shù)分布...........................................................39圖3.8E2.5隔離段Δ＝9.806MM,M＝2.5,Л=4.41時(shí)激波形態(tài)和分離特征.....................................................39圖3.9E2.5隔離段Δ＝9.806MM,M＝2.5,Л=4.415時(shí)壓力、馬赫數(shù)分布.......................................................40圖3.10E1.0隔離段不同反壓下激波串名義長度..............................................................................................41圖3.11E1.0隔離段不同來流條件下總壓恢復(fù)沿程分布..................................................................................41圖3.12E1.0隔離段不同反壓下隔離段第一道激波節(jié)長度..............................................................................42圖3.13E1.0隔離段不同反壓下出口馬赫數(shù)......................................................................................................42圖3.14E1.0隔離段不同反壓下出口溫升比......................................................................................................42圖3.15E2.5隔離段不同來流條件通流狀態(tài)下總壓恢復(fù)沿程分布曲線..........................................................43圖3.16E2.5隔離段不同反壓下激波串名義長度..............................................................................................43圖3.17E2.5隔離段不同反壓下隔離段第一道激波節(jié)長度..............................................................................43圖3.18E1.0隔離段不同反壓下出口馬赫數(shù)......................................................................................................43圖3.19E2.5隔離段不同反壓下出口溫升比......................................................................................................44圖4.1S1.5矩形隔離段計(jì)算區(qū)域........................................................................................................................46圖4.2S6.0矩形隔離段計(jì)算區(qū)域........................................................................................................................46圖4.3S1.5隔離段橫截面網(wǎng)格............................................................................................................................46圖4.4S6.0隔離段橫截面網(wǎng)格............................................................................................................................46圖4.5寬高比1.5矩形隔離段不同來流馬赫數(shù)下激波形態(tài)及分離特征........................................................48圖4.6S6矩形隔離段不同來流馬赫數(shù)下激波形態(tài)及分離特征.......................................................................49圖4.7S6矩形隔離段激波示意圖.......................................................................................................................49圖4.8S1.5矩形隔離段不同反壓下激波形態(tài)與氣流分離特征........................................................................50圖4.9S6矩形隔離段不同反壓下激波形態(tài)與分離特征...................................................................................51圖4.10S1.5隔離段M＝2.5，Л＝5.7對稱面流場........................................................................................53圖4.11S6隔離段M＝2.5，Л＝4.2剖面流場................................................................................................55圖4.12S6隔離段M＝2.5，激波前橫截面馬赫數(shù)分布.................................................................................55圖4.13S6隔離段M＝2.5，Л＝5.16激波中剖截面流場..............................................................................57圖4.14激波串名義長度隨反壓的變化.............................................................................................................58圖4.15S1.5、S6隔離段通流狀態(tài)下流量平均的總壓恢復(fù)系數(shù)沿程變化......................................................58圖4.16第一道激波長度隨反壓的變化.............................................................................................................58圖4.17總壓恢復(fù)隨反壓的變化.........................................................................................................................58圖4.18隔離段通流狀態(tài)下流量平均的總壓恢復(fù)系數(shù)沿程變化.....................................................................58圖4.19出口馬赫數(shù)隨反壓的變化.....................................................................................................................59vi南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文圖4.20出口溫升比隨反壓的變化圖.................................................................................................................59圖5.1隔離段計(jì)算域...........................................................................................................................................60圖5.2各隔離段模型...........................................................................................................................................61圖5.3S1.5E1.0隔離段通流狀態(tài)下對稱面和壁面沿程壓力分布圖.................................................................62圖5.4M＝2.5，Л＝5.37時(shí)S1.5E1.0隔離段激波形態(tài)與分離特征..............................................................62圖5.5激波前馬赫數(shù)分布圖...............................................................................................................................63圖5.6激波前速度矢量分布圖...........................................................................................................................63圖5.7激波后壓力分布圖...................................................................................................................................63圖5.8激波后馬赫數(shù)分布圖...............................................................................................................................63圖5.9激波后回流區(qū)分布圖...............................................................................................................................64圖5.10激波后速度矢量分布圖.........................................................................................................................64圖5.11流向截面壓力分布圖以及沿程壓力、馬赫數(shù)變化曲線.....................................................................64圖5.12M＝2.5,Л＝3.74時(shí)S1.5E2.5隔離段激波形態(tài)與分離特征...............................................................65圖5.13流向截面壓力分布圖以及沿程壓力、馬赫數(shù)變化曲線.....................................................................66圖5.14激波串名義長度隨反壓的變化.............................................................................................................67圖5.15通流狀態(tài)下總壓恢復(fù)沿程變化.............................................................................................................67圖5.16不同反壓下第一道激波長度.................................................................................................................67圖5.17隔離段出口溫升比對反壓的變化.........................................................................................................67圖5.18隔離段出口馬赫數(shù)隨反壓的變化.........................................................................................................67圖5.19不同反壓下激波串名義長度.................................................................................................................68圖5.20通流狀態(tài)下總壓恢復(fù)沿程變化.............................................................................................................68圖5.21不同反壓下的第一道激波節(jié)長度.........................................................................................................68圖5.22隔離段出口馬赫數(shù)隨反壓的變化.........................................................................................................69圖5.23隔離段出口溫升比隨反壓變化.............................................................................................................69圖6.1S1.5隔離段的激波形態(tài)示意圖................................................................................................................70圖6.2S6隔離段的激波形態(tài)示意圖...................................................................................................................71圖6.3E1.0隔離段的激波形態(tài)示意圖...............................................................................................................71圖6.4E2.5隔離段的激波形態(tài)示意圖...............................................................................................................72圖6.5M＝2.5時(shí)不同反壓下激波串名義長度................................................................................................72圖6.6M＝2時(shí)不同反壓下激波串名義長度...................................................................................................72圖6.7M＝2.5時(shí)隔離段通流狀態(tài)下總壓恢復(fù)沿程分布.................................................................................73圖6.8M＝2時(shí)隔離段通流狀態(tài)下總壓恢復(fù)沿程分布....................................................................................73圖6.9M＝2.5時(shí)第一道激波節(jié)長度................................................................................................................74圖6.10M＝2時(shí)第一道激波節(jié)長度.................................................................................................................74圖6.11M＝2.5,方轉(zhuǎn)橢圓隔離段與等直隔離段抗反壓能力對比圖...............................................................75圖6.12不同反壓下隔離段出口馬赫數(shù).............................................................................................................75圖6.13不同反壓下隔離段出口溫升比.............................................................................................................75圖6.14M＝2.5,不同隔離段出口總壓恢復(fù)對比圖..........................................................................................76圖6.15激波串區(qū)動能效率和壓比的對應(yīng)關(guān)系.................................................................................................77vii非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究附表清單表2.1來流參數(shù)...................................................................................................................................................13表2.2隔離段尺寸................................................................................................................................................13表2.3不同反壓下激波角...................................................................................................................................22表3.1隔離段尺寸................................................................................................................................................36表3.2來流參數(shù)...................................................................................................................................................36表3.3E1.0隔離段進(jìn)口參數(shù)...............................................................................................................................41表3.4E2.5隔離段進(jìn)口參數(shù)...............................................................................................................................43表4.1隔離段尺寸...............................................................................................................................................45表4.2計(jì)算來流條件............................................................................................................................................46表5.1隔離段尺寸................................................................................................................................................61表5.2來流參數(shù)...................................................................................................................................................61表6.1隔離段的表面積.......................................................................................................................................73viii承諾書本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱,可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書)作者簽名：日

期：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1．1研究背景高馬赫數(shù)飛行必然要求更先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)。圖1.1[1]所示為各類發(fā)動機(jī)的比沖隨飛行馬赫數(shù)的變化：活塞式發(fā)動機(jī)適用于亞聲速飛行；渦輪類發(fā)動機(jī)包括渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)在M∞<3時(shí)，比沖較大性能較好：當(dāng)飛行M∞>3時(shí)，沖壓發(fā)動機(jī)的性能最優(yōu)。在飛行馬赫數(shù)M∞3－6時(shí)，亞燃沖壓發(fā)動機(jī)性能優(yōu)于超燃沖壓發(fā)動機(jī)性能；當(dāng)涉及到高超聲速（M∞

＝5－15）時(shí)，亞燃沖壓發(fā)動機(jī)由于高速氣流滯止到亞聲流，燃燒室進(jìn)口溫度急劇升高，燃料的化學(xué)能很難釋放到高溫氣流中，并且氣流有可能電離吸收能量，能量添加困難，此外過高的熱載荷和高壓負(fù)荷給壁面冷卻以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面帶來巨大的困難。雖然火箭發(fā)動機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高超聲速飛行，但它缺乏足夠的巡航能力并且要自帶氧化劑。而超燃沖壓發(fā)動機(jī)在高超聲速飛行時(shí)可以達(dá)到較高的比沖，從而成為未來大氣層內(nèi)高超聲速飛行器最佳的動力裝置[2-4]。圖1.1各類發(fā)動機(jī)的工作馬赫數(shù)高超聲速技術(shù)在未來軍民用方面都有廣闊的應(yīng)用前景，特別在軍用方面，高超聲速巡航導(dǎo)彈可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)打擊。吸氣式超燃沖壓發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、性能卓越，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究和發(fā)展，目前在美國、日本、澳大利亞等國已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究階段進(jìn)入到演示驗(yàn)證階段，是未來高超聲速飛行器的動力裝置，在未來的航空航天領(lǐng)域?qū)⑵鹬鲗?dǎo)作用。圖1.2[5]為超燃沖壓發(fā)動機(jī)部件示意圖，其中高超聲速進(jìn)氣道負(fù)責(zé)向燃燒室提供滿足一定壓比、流量、溫度要求的氣流，是沖壓發(fā)動機(jī)重要的氣動部件之一，但其性能容易受到燃燒室工況的影響，燃燒室的壓力熱力脈動將造成進(jìn)氣道不穩(wěn)定工作1非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究甚至不起動。圖1.2超然沖壓發(fā)動機(jī)組成部件示意圖在沖壓發(fā)動機(jī)研究初期，人們并沒有意識到隔離段的重要性。Billig,Dugger和Waltrup[6]在做氫燃料沖壓發(fā)動機(jī)模型實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)隔離段是不可或缺的。他們曾經(jīng)用附面層抽吸的方法代替隔離段來穩(wěn)定燃燒室入口處的激波系，在抽掉大量附面層后，發(fā)現(xiàn)造成了燃燒室進(jìn)口下游壓力的嚴(yán)重降低。如不進(jìn)行附面層抽吸，進(jìn)氣道喉道處的流場畸變和不斷增加的附面層，再加上由激波造成的附面層分離，使得燃燒室壓力稍有升高，進(jìn)氣道就不能正常工作。所以有必要在進(jìn)氣道和燃燒室之間采用隔離段構(gòu)建一氣動熱力緩沖區(qū)，以保證進(jìn)氣道有一個(gè)較寬的穩(wěn)定工作范圍。隔離段之所以能夠隔離燃燒室的壓力脈動，保證進(jìn)氣道正常工作，是由于在其內(nèi)部形成了激波串而具有一定的抗反壓能力，通過激波串位置移動來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道與燃燒室間的壓力熱力匹配。研究表明[7－8]，激波串的形態(tài)主要受入口馬赫數(shù)和附面層厚度影響，假若隔離段內(nèi)不存在附面層，此時(shí)在隔離段內(nèi)只能通過一道正激波來平衡壓力。第一道激波前馬赫數(shù)不同（下面簡稱波前馬赫數(shù)）激波串的形態(tài)也不同，當(dāng)波前馬赫數(shù)小于1.2時(shí)，激波/附面層干擾很弱，形成一道近似的正激波；當(dāng)波前馬赫數(shù)1.2<M<1.3時(shí)，激波/附面層干擾加強(qiáng)，激波彎曲但尚未引起附面層分離；當(dāng)波前馬赫數(shù)進(jìn)一步增大，1.3<M<1.5時(shí)，激波將引起附面層分離、激波分叉，激波/附面層干擾強(qiáng)烈；當(dāng)波前馬赫數(shù)進(jìn)一步增大，激波分離加劇，形成激波串，且激波串的形態(tài)和特征與馬赫數(shù)有關(guān)。隔離段抗反壓能力和激波串形態(tài)還受來流均勻度、雷諾數(shù)等因素影響，但隔離段內(nèi)激波串產(chǎn)生的最大壓比不大于一道正激波所產(chǎn)生的壓比。隔離段內(nèi)的流動非常復(fù)雜，首先激波在其內(nèi)部不斷反射，存在強(qiáng)烈的激波/附面層[9]矩形隔離段內(nèi)還可能存在非穩(wěn)態(tài)流動（周期振蕩）等。影響隔離段性能的因素很多，主要是隔離段截面形狀、長度與當(dāng)量直徑比。隔離段的截面形狀[10]和尺寸對隔離段的性能有很大的影響。截面不同將造成隔離段內(nèi)附面層分布不同、激波串形態(tài)也不同，從而其抗反壓能力和流動損失也不同；矩形隔離段的長高2干擾；其次流動極為不均，從而造成進(jìn)氣道性能下降或很強(qiáng)的二次流；再次大寬高比干擾；其次流動極為不均，從而造成進(jìn)氣道性能下降或很強(qiáng)的二次流；再次大寬高比南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文比、寬高比和隔離段擴(kuò)張角都會影響激波串的位置，從而影響其抗反壓能力。另外隔離段和燃燒室的重量也是一個(gè)要考慮的問題，隔離段和燃燒室過長、圓周面積過大，不但會增加其重量，還會增加氣流的摩擦阻力和損失。文獻(xiàn)[11-13]中提到，圓形或橢圓形燃燒室在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減小粘性影響消除角渦流動、減小壁面摩擦力、減小熱損失和自身重量等方面較矩形燃燒室更具優(yōu)勢。目前已經(jīng)對矩形出口的二元和側(cè)壓式高超聲速進(jìn)氣道開展了大量的研究，為了獲得更好的高超聲速進(jìn)氣道性能，進(jìn)氣道設(shè)計(jì)越來越偏向于復(fù)雜的三維設(shè)計(jì)。美國NASALangley研究中心的M.K.Smart等

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提出了矩形進(jìn)口橢圓形出口的REST進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)方法并對其進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，取得了很好的性能，此種進(jìn)氣道可以采用橢圓形燃燒室；國內(nèi)南京航空航天大學(xué)的尤延鋮[14]對內(nèi)乘波式進(jìn)氣道、孫波[15－16]對Busemann進(jìn)氣道進(jìn)行了研究，這種三維設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道出口截面形狀不再局限于矩形，這就需要采用橢圓形或變截面隔離段實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道與燃燒室的匹配。美國辛辛那提大學(xué)的KatherineM.Grendell[10]提出了矩形進(jìn)口橢圓形出口隔離段的設(shè)計(jì)概念，但沒對其進(jìn)行研究，國內(nèi)外有關(guān)這方面的研究還沒見到公開發(fā)表的文章。為了采用性能相對較好的圓形或橢圓形燃燒室，有必要對橢圓形和變截面等非常規(guī)隔離段開展研究。1．2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隔離段的主要功用是隔除燃燒室壓力熱力脈動對進(jìn)氣道的影響，承受一定的反壓使高超聲速進(jìn)氣道能夠在設(shè)計(jì)工作范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。如何設(shè)計(jì)滿足進(jìn)氣道與燃燒室匹配要求的、盡可能短的、重量小的、抗反壓能力強(qiáng)的、流動損失和壁面摩擦小的隔離段是國內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)注的問題。1．2．1國外研究情況早在上世紀(jì)60年代，國外較有實(shí)力的國家就開始對高超聲速進(jìn)氣道技術(shù)進(jìn)行研究，美國在這方面投入力量最大，同時(shí)也開展了隔離段的相關(guān)研究。在隔離段研究方面主要開展了以下三方面的工作：1.隔離段流動特性機(jī)理方面的研究20世紀(jì)70年代，美國的Waltrup和Billig

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針對一維軸對稱等直圓管進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)研究，考慮了馬赫數(shù)、進(jìn)口附面層動量損失厚度以及基于進(jìn)口附面層動量損失厚度的雷諾數(shù)等因素，總結(jié)了管內(nèi)增壓比與激波/附面層相干長度的關(guān)系式（1－1），因其實(shí)用性而成為后人設(shè)計(jì)隔離段的主要參考。3非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究11

22

1

PP

?1+170?1

2

（1-1）其中St為激波串長度，M∞為來流馬赫數(shù)，Reθ為基于未受激波干擾的附面層動量損失厚度的雷諾數(shù)，D為圓管直徑，θ為未受擾動的附面層動量損失厚度，Pf/Pa是激波串前后壓比。文獻(xiàn)[18]研究了來流附面層動量損失厚度對激波串壓力分布的影響，研究結(jié)果表明低馬赫數(shù)下來流附面層動量損失厚度對激波串壓力分布的影響程度要比高馬赫數(shù)大，公式(1-1)在低馬赫數(shù)范圍（1<M<2）的預(yù)測精度低，提高式（1－1）式在低馬赫數(shù)范圍的預(yù)測精度應(yīng)該在附面層參數(shù)如θ、Reθ等因素上多加考慮。1993年，Billig根據(jù)文獻(xiàn)[19]的結(jié)果，將原來在軸對稱圓管實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的公式（1－1）修改成如下的適合于矩形管道的公式（1－2）：S=

Hθ20.2

p2p2

2

(1-2)式中，H為矩形管道的高度，相比公式（1－1），作者將R0.25改為R0.2，其他參數(shù)同公式(1-1)。需要說明的是以上實(shí)驗(yàn)多是在對稱來流條件下進(jìn)行的，因此上述公式用于隔離段非對稱入口情況下還需做調(diào)整?；谇疤K聯(lián)40年的研究，上世紀(jì)90年代末Dr.ViacheslavPenzin[20]對超聲速隔離段的工作特性開展了更深入更系統(tǒng)的研究，他定義了兩種隔離段工作模式，一種是偽激波模式（pseudoshockmode），這是理想的工作模式，這種模式下隔離段對來流特性例如附面層厚度相對不敏感，截面壓力分布均勻；一種是分離激波模式(separationshockmode)，在這種模式下工作，隔離段角部存在一個(gè)大的不對稱的三維分離區(qū)，截面壓力分布不均勻，對來流特性敏感。Penzin在圖1.3中給出了這兩種工作模式的分布區(qū)域，從圖我們可以看出在高馬赫數(shù)和高寬高比下矩形隔離段處于分離激波工作模式，低馬赫數(shù)和小寬高比下處于偽激波模式。以前對隔離段所開展的研究工作大都處在偽激波模式，A.NedungadiandD.M.VanWie[21]運(yùn)用CFD對分離激波模式下的隔離段工作特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)矩形隔離段的角部流動存在分離現(xiàn)象，它對激波串位置起決定作用，低馬赫數(shù)下這種分離能夠再附，高馬赫數(shù)下分離不能再附，為分離激波模式。此外在JohnsHopkins大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室TharenRice[22]對高寬高比的隔離段特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在高寬高比下隔離段內(nèi)存在較大的壓力脈動，并推測這是由于隔離段工作在分離激波模式的緣故。4St(M∞2?1)Re?4D?=50St(M∞2?1)Re?4D?=50PfPfaa(M2?1)Re?p3p350?1+170?1e?e?南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文圖1.3隔離段工作模式流場穩(wěn)定性方面，Marshall和Dolling[23]采用各種湍流模型計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，認(rèn)為數(shù)值模擬的不精確性不能完全歸咎于湍流模型，而是一種低頻的激波不穩(wěn)定性造成了這種流場特點(diǎn)。這種激波不穩(wěn)定性在文獻(xiàn)[23]中被稱為“激波串的自激振蕩現(xiàn)象”。日本學(xué)者對隔離段內(nèi)激波串振蕩做了較多的研究[24-25]。這種激波振蕩和產(chǎn)生的壓力脈動將會對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利影響，也會給壁面施加一定頻率的振動載荷并會產(chǎn)生噪聲，如果激波振蕩具備足夠的強(qiáng)度，就會造成管壁的疲勞斷裂。IKui等人[24]在等直隔離段內(nèi)研究了不同來流馬赫數(shù)下激波串振蕩的規(guī)律，認(rèn)為激波串振蕩是來流湍流脈動所致。Yamame[25]也做了類似的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為是激波串下游亞聲速區(qū)壓力脈動上傳所致。激波振蕩形成的機(jī)理目前還沒有定論。除開展隔離段流動特性機(jī)理方面的研究外，研究者們主要對矩形隔離段做了大量的研究工作。2.矩形隔離段的研究美國Lookheed公司和Langley研究中心的科研人員利用Langley研究中心M∞＝4的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)氣道隔離段的性能

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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隔離段的極限反壓隨著隔離段長度的增加而增加，隨進(jìn)氣道畸變的增加而減小。Balu和Gupta等人[27]研究了反壓和長高比對隔離段性能的影響，研究表明長高比在4到5之間對超聲速燃燒室最佳。文獻(xiàn)[28]中S.K.Cox-Stouffer就寬高比對矩形隔離段性能的影響進(jìn)行了研究，寬高比選為1、3、6、9，來流馬赫數(shù)為M∞＝2、M∞＝3.2，反壓條件為一道正激波所產(chǎn)生壓比的80％。圖1.4是來流馬赫數(shù)為3.2時(shí)，四種寬高比下隔離段內(nèi)等壓線的分布情況，可以看出寬高比越大，激波串位置越靠前，激波串越長，抗反壓能力越小，和二維計(jì)算時(shí)激波串的位置相比，考慮側(cè)壁影響三維計(jì)算的激波串位置更靠前。5非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究圖1.4來流馬赫數(shù)為3.2時(shí)，隔離段寬高比分別為1、3、6、9時(shí)的等壓線分布文中還就寬高比對隔離段其他性能參數(shù)的影響進(jìn)行了分析研究，從圖1.5可以看出，寬高比對隔離段出口馬赫數(shù)、出口壓力（由出口邊界條件決定）和總壓恢復(fù)影響不大。圖1.5來流馬赫數(shù)3.2時(shí)，基于流量平均的隔離段沿程馬赫數(shù)、靜壓、總壓分布截面為矩形的隔離段，在角部附面層較厚，激波附面層干擾強(qiáng)烈，壓力擾動容易前傳。通過改變截面形狀或者采取其他措施來消除這種局部附面層過厚帶來的影響是否能夠改善隔離段的性能呢？這方面研究者們也開展了一些工作。3.非矩形隔離段的研究文獻(xiàn)[17]中通過實(shí)驗(yàn)對圓形隔離段中激波形態(tài)進(jìn)行了描述，研究發(fā)現(xiàn)圓管內(nèi)激波形態(tài)為斜激波而非正激波，不同反壓下激波串形態(tài)相似，通過移動位置實(shí)現(xiàn)壓力匹配,RichardD.Stockbridge[29]還對環(huán)形隔離段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。KatherineM.Grendell[10]采用CFD技術(shù)對非矩形隔離段和帶擴(kuò)張角的隔離段進(jìn)行了研究，分析了隔離段截面形狀和擴(kuò)張角對隔離段性能的影響。文中對矩形隔離段、采用圓弧倒角的矩形隔離段、采用直線段倒角的矩形隔離段在同樣來流條件相同反壓條件下的激波串位置進(jìn)行了對比研究，見圖1.6。研究發(fā)現(xiàn)，在出口面積一樣的情況下，采用圓弧倒角和采用直線段倒角的隔離段，激波串位置基本一樣，和矩形隔離段內(nèi)激波串位置相比往后移動了大約4倍隔離段高度，由此可見采用倒角消除角部過厚的附面層能夠提高其抗反壓能力。6南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文圖1.6不同截面形狀的隔離段文中還分析了擴(kuò)張角對隔離段性能的影響，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)張角增大，激波串前移，增大擴(kuò)張角不利于隔離段抗反壓能力的提高。和截面形狀相比，擴(kuò)張角對隔離段性能的影響相對較小。除此之外，文獻(xiàn)[30、31]，還對圓形和矩形隔離段抗反壓能力做了對比分析，認(rèn)為圓形隔離段抗反壓能力優(yōu)于矩形隔離段，并且還對隔離段受力載荷進(jìn)行了分析，認(rèn)為圓形隔離段承受壓力載荷的能力強(qiáng)于矩形隔離段。1．2．2國內(nèi)研究情況國內(nèi)有關(guān)單位也開展了隔離段的研究工作，主要是對矩形隔離段開展了數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)研究。南京航空航天大學(xué)內(nèi)流研究中心在高超聲速進(jìn)氣道技術(shù)研究方面做了較為廣泛而系統(tǒng)的研究，對隔離段這一關(guān)鍵部件進(jìn)行了一系列研究。梁德旺，李博[32]研究了高超聲速進(jìn)氣道隔離段的反壓前傳模式，研究發(fā)現(xiàn)隨著反壓增加首先在隔離段出口形成激波串，直到隔離段出口附面層開始分離時(shí)，激波串開始往隔離段內(nèi)移動，反壓繼續(xù)增加，激波串在隔離段內(nèi)不斷向前移動。文獻(xiàn)[9]中梁德旺、李博對某典型二元高超聲速進(jìn)氣道三維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了隔離段中的激波反射狀況，提出了隔離段二次流的形成和發(fā)展規(guī)律以及影響因素。指出隔離段內(nèi)二次流的形成、發(fā)展和消失由上下壁面的壓差，激波的移動方向（波后氣流的橫向流動）等決定。為了開展非對稱來流條件下隔離段的反壓特性，王成鵬[33]設(shè)計(jì)了圖1.7所示的實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞，開展了非對稱來流條件下隔離段的反壓特性研究，調(diào)整下游節(jié)流閥，改變反壓大小，調(diào)整激波串位置。圖1.7隔離段實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞示意圖7非常規(guī)隔離段流場特征與氣動性能的數(shù)值研究研究表明隔離段來流的非對稱性對隔離段內(nèi)的流動造成了影響，其壁面壓升特征、激波串名義長度隨來流不對稱度的改變而改變。隔離段來流不對稱度的加大將增加激波串長度，降低隔離段承受反壓的能力。傳統(tǒng)的隔離段內(nèi)激波串估算公式（式1.1）在非對稱來流情況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差，王成鵬根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了考慮隔離段進(jìn)[34]燃沖壓發(fā)動機(jī)隔離段的動態(tài)壓力開展了實(shí)驗(yàn)研究工作,譚慧俊等[35]對二維彎曲等截面管道中的激波串特性進(jìn)行了研究工作。國防科大的范曉檣等人

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對三維超聲速隔離段湍流流場漩渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)矩形隔離段內(nèi)流場中存在著復(fù)雜的偽激波節(jié)構(gòu)，角部存在很強(qiáng)的三維渦旋流動；正方形截面隔離段中形成的漩渦具有對稱性，主要由激波干擾引起，而長方形截面隔離段中的渦受壁面影響強(qiáng)烈。西工大李建平等人[37]研究了反壓、來流馬赫數(shù)、進(jìn)口附面層厚度、長高比和擴(kuò)張角對隔離段流動特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著反壓升高，激波串強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)并向隔離段上游傳播，總壓損失增大；來流馬赫數(shù)越高，抗擾動能力越強(qiáng)，總壓損失也越大；附面層厚度的增加會使激波串前傳；長高比越小激波串越靠近上游，抗反壓能力越弱；隨著擴(kuò)張角增大，激波串位置更靠近上游，總壓損失增大。國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)和研究人員通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究對隔離段內(nèi)激波模式、激波串形態(tài)、流動特征、反壓特性及其影響因素進(jìn)行了分析研究，并得到一些重要結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)公式，但目前對隔離段的研究主要還是針對矩形隔離段，復(fù)雜截面形狀和變截面隔離段的研究還涉及較少，有待開展。1．3本文主要工作和求解方法介紹1．3．1本文主要工作隔離段的主要功用