冲压发动机C/SiC喷管承压失效研究

新型三维编织碳/碳化硅复合材料存在较强的各向异性,而各个方向的性能数据积累不足,复合材料的强度计算方法尚不完善,为了发现新型三维编织碳/碳化硅复合材料在冲压发动机喷管中应用可能遇到的问题,并找到相应地解决措施,开展了这种复合材料应用于冲压发动机喷管的承压强度计算和承压实验研究。对承压实验中出现的低压破坏情况进行了分析,分析了低压破裂的原因,提出了改进措施。分析结果表明:C/SiC喷管喉部密度较低,导致强度较低,承载能力下降,是首次强度验证实验过程中该局部破坏的原因；为提高喷管强度,需要通过其形状设计并控制沉积流场,保证其喉部的沉积密度达到1.9g/cm³以上。对改进后的喷管进行了实验验证,实验结果与计算结果基本一致,满足要求。因此,在实际应用中应对喷管喉部和纵向密度的分布进行工业CT无损检测,确保喷管密度的分布均匀。      

高速流场主动流动控制激励器研究进展

主动流动控制激励器是主动流动控制技术发展的核心问题之一.有效的主动流动控制技术对于保证高速飞行器的飞行安全性、改善飞行器可操纵性和提高飞行器推进效率具有重要意义.高速飞行器技术的发展促进了新型激励器的不断出现,同时也为激励器设计提出了新的更高要求.本文对现有可用于高速流场主动流动控制的典型激励器进行了综述,讨论了激励器的分类和激励器不同工作性能评价参数,重点分析了流体式、机械式和等离子体式三种类型激励器的结构设计、工作机理和应用特性,并结合高速流动控制的实际需要和现有激励器的研究成果,提出了一种新的激励器设计方法.最后本文对各激励器的优势和存在的不足进行了总结,对主动流动控制技术的发展提出了几点建议.     

超声速半球绕流实验研究

基于NPLS技术,在超声速静风洞中对超声速半球绕流流场进行了实验研究,观察到了三维弓形激波及其与边界层相互作用所诱导的转捩/分离区,再现了超声速半球绕流流场的复杂结构.根据所得NPLS图像的时间相关性,分析了绕流流场结构的时空演化特征,得到了大尺度涡结构在流向和展向的运动特征,并且观察到了明显的周期性和相似的几何结构特征.     

发动机燃烧室内壁材料热环境的气动热试验模拟技术研究

利用超声速矩形湍流导管和等离子电弧加热器模拟了发动机燃烧室内流和高超声速飞行器外壁面外流热环境,进行了平板表面冷壁热流测量和燃烧室内壁材料考核试验。结果表明:由于辐射换热的影响,在选取的两个典型来流条件下,发动机燃烧室内流热环境下的冷壁热流比外流热环境下的高出21%和40%,但是冷壁热流的增量基本相当,约为0.70~0.80MW/m²。随着冷壁热流的增加,辐射换热产生的热流增量的影响力会逐渐减小。材料考核时,相同配方的C/SiC复合材料在内流热环境下的表面温度高出约400℃,背面温度高出约90℃,这种差异对于发动机燃烧室内壁面材料考核至关重要,必须在材料考核试验中加以考虑。      

超燃冲压发动机性能的准二维计算方法

为了能在双模态超燃冲压发动机流道方案初步论证中提供一种较快速的发动机性能计算方法,在二维N-S方程基础上,引入一维完全燃烧计算方法,提出了预估超燃冲压发动机性能的准二维计算方法。该方法能够计入激波、边界层分离等对发动机性能的影响,可在较短时间计算出整机推力、比冲性能和沿程热力学参数。通过对自由射流发动机计算,验证了此方法。并在此基础上,初步分析了燃料喷注位置和流道构型对发动机性能的影响。      

超燃冲压发动机凹腔内补氧的强化点火试验

在超燃冲压发动机扩张型燃烧室中,对凹腔内局部补氧的点火强化方法进行了试验研究。采用高速摄影手段研究了不同的补氧方式对凹腔内火焰分布特征和燃烧强度的影响,并针对并联双凹腔燃烧室构型,研究了在单侧凹腔补氧条件下向异侧凹腔的火焰传播过程。试验结果表明,采用凹腔内补氧的方式能调节凹腔内的燃料浓度分布、改善凹腔内的燃烧过程,控制燃烧放热强度;稳态燃烧情况下,观察到凹腔驻留火焰的两种存在特征,分别表现为:由回流区热量反馈机制作用下的凹腔局部驻留火焰和燃烧室全局压力反馈影响下的凹腔剪切层火焰。只有在单侧凹腔燃烧建立了全局压力反馈的条件下才能实现凹腔火焰的异侧传播。      

等压和等面积燃烧条件下超燃冲压发动机性能对比分析

超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机,具有结构简单、成本低、单位推力高和速度快的优点,已成为高超声速导弹武器系统及可重复使用军用航天器动力系统领域的研究热点之一。本文通过对超燃冲压发动机建模,并分别对等压燃烧和等面积燃烧过程进行仿真,对比分析了两种情况下的发动机性能参数变化,在改进燃烧室几何构型和提高发动机性能方面具有理论指导意义。     

合成射流流动与传热特征的数值模拟

采用RNGκ-ε模型和PISO算法,通过求解三维N-S方程,对腔体右侧振动膜片运动的二维合成射流流动与传热特征进行了数值模拟.模拟结果显示由于激励器在右侧振动膜片的作用下,合成射流产生的喷射气流在喷口中心右边速度稍大于左边速度,形成不对称射流流场;射流冲击壁面的速度峰值出现在中心区两侧,使得射流冲击换热的Nu数形成相应的峰值;随着合成射流冲击距离Z/do的增大,其对流换热系数出现先增大后减小的变化规律,当冲击距Z/do=20~30 mm时冷却效果较佳.     

超声速气流中稳焰凹腔吹熄极限分析与建模

吹熄极限的研究对于超燃冲压发动机燃烧室中稳焰凹腔和燃料喷注方案的设计具有重要学术意义和工程应用价值．针对凹腔上游喷注燃料的火焰稳定过程进行了研究,从理论上分析了超声速气流中凹腔稳定燃烧的贫燃与富燃吹熄机制,基于剪切层稳燃模式,进一步考虑流场的三维结构,并结合横向射流穿透与混合模型,在有效当量比的计算、凹腔的卷吸过程以及燃料射流与凹腔剪切层／回流区的质量交换等方面改进了已有模型,重新定义了与吹熄过程密切相关的Damokhler数和有效当量比,并以两者关系为准则建立了描述富燃和贫燃吹熄极限的数学模型,进而通过实验数据验证了模型的有效性．     

高超声速机体/推进一体化试验设备概述

 回顾了高超声速推进地面设备及任务的发展历程，明确了设备分类，简述了直连式超声速燃烧试验台、燃烧加热高超声速高温风洞、电弧加热超声速燃烧试验台、高超声速高焓激波试验台、脉冲燃烧风洞等试验设备的原理、主要结构和基本参数。通过对不同设备特点的分析，指出脉冲燃烧风洞是开展高超声速机体/推进一体化试验的理想设备。