二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段流动特性的数值模拟

二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段流动特性的数值模拟

元进气道性能预测为了充分反映高超速汽速通道的性能，通常采用温升比、低压比、总压恢复系数（或输入通道效率）、流量系数、进气道阻力、最大阻力和上升马赫数等参数。其中,前5个参数反映了进气道的流动性能,而后两个参数体现了进气道的工作范围和能力。不同的高超声速二元进气道构形设计和来流条件都影响着进气道性能,在开展进气道初步方案设计和优化时,希望能快速得知构形参数和来流对性能的影响。然而,到目前为止国内外尚未见到能快速预测这类进气道性能的方法。由于二元进气道外压缩通道大部分采用多道斜激波结构,其性能取决于各压缩角度,可以用激波关系式来计算波前后的流动参数。对于一定的压缩程度(如一定的温升比、增压比),通过Oswatisch的配波原则即可得到理想气体条件下的最大总压恢复系数。内压缩通道中的波系比较复杂,EmamiS等研究了内压缩通道部分几何参数对进气道性能的影响,发现在相同的内压缩通道进口条件下,内压缩通道面积收缩比(CR)对进气道性能(温升比、增压比、起动马赫数)的变化规律具有较好的相似性。但内压缩通道内波系配置方式也对内压缩通道性能有某种影响。此外,内压缩通道进口条件(进口马赫数、密度和附面层厚度等)也在不同程度上影响着内压缩通道的性能。因此,有必要详细研究各种来流参数和几何参数对进气道性能的影响,进而总结出其规律。本文计算了一系列内压缩通道及隔离段模型,得到了面积收缩比、内压缩通道收缩角、隔离段长高比等几何参数以及内压缩通道进口马赫数、密度、附面层厚度等流动参数对内压缩通道及隔离段增压比、温升比、总压恢复系数等性能参数的影响规律。1来流密度对系统压缩通道性能的影响本文的数值计算采用了如图1所示的典型二元进气道内压缩通道及隔离段模型,其设计飞行高度22800m。该模型采取单纯收缩的内压缩通道,内压缩通道进口高度H2=0.025m,考虑到实际的进气道设计中减小外阻的要求,唇罩内型面角度为1°。隔离段为一般的等直隔离段,为不失一般性,取L3=10H3。出于方便给定边界条件的考虑,在内压缩通道之外添加了一小段外压段,其水平长度XB-XA=0.02m。此外,为了方便表达,定义:来流截面为0截面,内压缩通道进口截面为2截面,内压缩通道出口截面为3截面,隔离段出口截面为4截面,在下文中如不做特别说明,所有下标都采用此定义。为较为全面地分析影响二元进气道内压缩通道性能的各种影响因素,取如下影响参数:收缩比(取值:1.8,2.3,2.8,3.5,4.3)、内压缩通道进口马赫数(本小节定义内压缩通道进口马赫数为图1中A截面处的主流区马赫数,Ma取值:3.0,3.8,4.2,4.6,5.5和6.6)、内压缩通道进口附面层厚度占内压缩通道进口的比例(因为CFD计算的需要,本文中内压缩通道进口附面层厚度定义为图1中A点处的附面层厚度占内压缩通道进口的比例,δ/H2,取值:0,15,22,30和45%)、内压缩通道收缩角(内收缩通道上下壁面的夹角,反映内压激波的强度,α取值:9°,12°,15°,23°)。此外,内压缩通道进口密度对内压缩通道性能尤其是增压比有一定影响,但是由于算例数量的限制,在本文中仅针对α=12°,δ/H2=22%,Ma=4.6,CR=2.3的情况,改变来流密度:ρ2/ρG取值约为1.0,2.0,3.0,4.0,5.0(定义22800m高空的大气密度为ρG,ρG=0.05599kg/m3),以此分析来流密度对内压缩通道及隔离段性能的影响。本文用代数法生成计算网格,根据长度自动调节网格疏密,以保证计算准确性。计算采用N-S方程为控制方程。湍流模型采取Baldwin/Lomax模型,对流项采用AUSM+格式,5步Runge-Kutta方法。为更准确模拟高超声速流动情况,采用了热完全气体模型。上述算法均在本课题组自主研发的NAPA软件中得到实现,本文的流场数值模拟工作即采用NAPA软件进行计算。该软件已经过多种算例的检验,证明软件可以准确地进行亚、跨、超及高超声速流场计算。2典型几何和流动参数内部压缩通道和隔离段波系的影响2.1加大收缩比,内压缩通道与膨胀扇的产生图2给出了α=12°,δ/H2=22%,Ma=4.6的条件下,收缩比对内压缩通道和隔离段内等压波系的影响。从图中可以看出,因为附面层在下壁面的发展相当于存在一极小的压缩角,因此产生了一道较弱的激波射入内压缩通道。又因为内唇口角度较小,从内唇口上尖点发出一道极强的斜激波,在收缩比较小时,激波甚至打在隔离段内;随着收缩比增大,此激波在下壁面的反射点逐渐向内压缩通道进口移动。内压缩通道到隔离段下壁面肩点处产生一膨胀扇,隔离段内反射激波与膨胀波交替作用,沿程静压高低变化,并可以看出,随着收缩比的增大,流动趋向均匀。很明显,收缩比的增大提高了进气道对气流的压缩。2.2内压缩通道进口马赫数对内压缩通道内压激波的影响图3给出了α=12°,δ/H2=22%,CR=2.3的条件下,进口马赫数对内压缩通道和隔离段内等压波系的影响。内压缩通道进口马赫数的影响首先是对第一道内压激波的影响,随着进口马赫数降低,第一道内压激波逐渐减弱,在下壁面的反射点逐渐向出口移动,当马赫数降低到一定程度时,反射点处产生附面层分离,继续降低,第一道内压激波被推到内压缩通道外,进气道将不能起动。此外还可以看出,来流马赫数较小时,隔离段出口气流参数更加均匀。2.3面层厚度的影响图4给出了α=12°,Ma=4.6,CR=2.3的条件下,附面层厚度对内压缩通道和隔离段内等马赫数波系的影响。由图可见,附面层厚度对内压缩通道主流区波系并没有太大影响,主要改变的是主流区厚度,进而影响平均性能参数。此外,较厚的附面层对起动不利。2.4加速收缩通道内等压波系的影响图5给出了δ/H2=22%,Ma=4.6,CR=2.3的条件下,内收缩通道收缩角对内压缩通道和隔离段内等压波系的影响。由图可见,内收缩通道收缩角首先影响的是唇口发出的第一道内压激波,进而影响内收缩通道内的反射波,内收缩通道收缩角越大,内压激波气流转折角越大,内压激波越强。随着内收缩通道收缩角的增大,第一道内压激波在下壁面的反射点逐渐向隔离段内移动。2.5内压缩通道进口密度的影响图6给出了α=12°,δ/H2=22%,Ma=4.6,CR=2.3的条件下,内压缩通道进口密度对内压缩通道及隔离段内等马赫数波系的影响。由图可见,单纯改变进口密度对波系结构没有本质的影响,但随着进口密度的增大,内压缩通道及隔离段内附面层变薄。3典型几何和流动参数内部压缩通道和隔离段性能的影响规律3.1收缩比对总压恢复系数的影响图7给出了在α=12°,δ/H2=22%,不同Ma的情况下,CR对内压缩通道及隔离段性能的影响。由图可见,收缩比增大使压缩增强,对于不同的内压缩通道进口马赫数,内压缩通道温升比、增压比随收缩比的增大而增大,总压恢复系数总体上也是随收缩比增大而减小,但在高马赫数(Ma≥5.5)、小收缩比(CR<2.3)的情况下,强度很大的第一道内压激波打在隔离段内部,与隔离段进口由于膨胀造成的分离包的相互作用,造成了较小的总压恢复。3.2ma对总压恢复系数的影响图8给出了在α=12°,δ/H2=22%条件下,不同CR情况下,Ma对内压缩通道及隔离段性能的影响。总体来看,随Ma增大压缩增强,但相比之下温升比的增大较增压比更加明显,但在小马赫数(Ma≤3.6)的情况下,由于接近起动临界,内压缩通道内部逐渐出现分离,增压比反而增大,总压恢复系数始终随Ma增大单调递减,且由于上文所述,收缩比对总压恢复系数的影响并不完全单调,造成了图(c)中的部分曲线相交。3.3附面层的温升比及增压比图9给出了在α=12°,Ma=4.6,不同CR的情况下,δ/H2对内压缩通道及隔离段性能的影响。由图可见,随着附面层加厚,温升比、增压比有微弱的增加,不同CR下的温升比、增压比的曲线近似直线。但总压恢复系数降低明显,且由于收缩比对总压恢复系数的影响并不完全单调,造成了图(c)中的部分曲线相交。3.4收缩比c对总压恢复系数的影响图10给出了δ/H2=22%,Ma=4.6,不同CR时,内收缩通道收缩角对内压缩通道及隔离段性能的影响。由图可见,随着内收缩通道收缩角增大,温升比、增压比增大,总压恢复系数减小,同样由于收缩比对总压恢复系数的影响并不完全单调,图(c)中的部分曲线相交。此外也可以看出,收缩角较小(9~15°)的情况下,对温升比、增压比的影响不大,随着收缩角的增大(15~23°),影响越来越明显。这主要是因为内收缩通道收缩角主要影响单道内压激波强度,对于相同的收缩比,单道内压激波过强可能在内压缩通道内产生分离,对性能产生较大影响,进而造成较大的损失。3.5内压缩通道进口密度的影响图11给出了α=12°,δ/H2=22%,Ma=4.6,CR=2.3的情况下,内压缩通道进口密度对内压缩通道及隔离段性能的影响。由图可见,随着内压缩通道进口密度增大,内压缩通道及隔离段内附面层逐渐变薄,温升比、增压比减小,总压恢复系数增大。3.6隔离段沿程温度变化的线性范围此外,隔离段长度对性能也有影响,作者的前期研究发现,隔离段前后增压比近似不变,温升比增大,马赫数减小,但变化幅度不大,总压恢复系数有明显减小。图12分别给出了α=12°,δ/H2=22%,Ma=4.6,不同CR情况下,隔离段内沿程平均温升比、马赫数和总压恢复系数曲线(其中,横坐标为隔离段沿程位置与隔离段高度之比,纵坐标为隔离段截面平均性能参数)。由图可见,在4倍隔离段高度的范围内,沿程各平均参数有较小的波动,4倍隔离段高度之后,平均参数曲线接近直线。此外还可以看出,4倍隔离段高度之后,各平均参数曲线都近似平行。4流动参数的影响通过本文研究,定量总结出了二元高超声速进气道内压缩通道及隔离段的性能(增压比、温升比、总压恢复系数等)主要受内收缩通道面积收缩比、内收缩通道收缩角、隔离段长高比等几何参数以及内收缩通道进口马赫数、密度和附面层厚度等流动参数的影响:(1)内收缩比的增大使压缩增强,温升比、压比增大,总压恢复系数减小;(2)内收缩通