【摘要】：高超聲速推進(jìn)技術(shù)是國際前沿的研究熱點(diǎn),其中雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展受到極大關(guān)注。隔離段作為雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分,具有實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換、匹配燃燒室入口條件、防止發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)等作用,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有關(guān)鍵性影響。激波串結(jié)構(gòu)是隔離段內(nèi)部一種連續(xù)激波結(jié)構(gòu)與邊界層之間強(qiáng)烈的相互作用的流動(dòng)現(xiàn)象,具有明顯的三維性、非定常性。目前國內(nèi)外關(guān)于隔離段精細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究極少,而其流動(dòng)機(jī)理的進(jìn)一步研究對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)又提出了較大的挑戰(zhàn)。為此,本文設(shè)計(jì)了2座適合開展NPLS(Nanoparticle-based Planar Laser Scattering)精細(xì)流動(dòng)測(cè)量的隔離段試驗(yàn)風(fēng)洞,采用NPLS、高頻壓力測(cè)量、高速紋影等試驗(yàn)技術(shù),開展了隔離段的流場(chǎng)時(shí)空結(jié)構(gòu)特性、流動(dòng)控制、邊界條件對(duì)隔離段性能的影響、進(jìn)氣道-隔離段-點(diǎn)火區(qū)后臺(tái)階流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等方面的試驗(yàn)研究。通過圖像技術(shù)、小波分解、POD(Proper Orthogonal Decomposition)分解等方法,分析了激波串流場(chǎng)復(fù)雜的瞬態(tài)三維結(jié)構(gòu)、非定常性、壓力脈動(dòng)、激波串前緣檢測(cè)、流動(dòng)控制效果等方面的特性。采用NPLS技術(shù)獲得了隔離段激波串流場(chǎng)的瞬態(tài)結(jié)構(gòu),研究結(jié)果表明激波串結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的非同步性,其結(jié)構(gòu)的三維性非常突出。流動(dòng)結(jié)構(gòu)的非定常性研究表明,激波串結(jié)構(gòu)的相關(guān)性系數(shù)隨時(shí)間的變化滿足指數(shù)關(guān)系。當(dāng)時(shí)間間隔小于20μs時(shí),激波串主要是出現(xiàn)小尺度結(jié)構(gòu)變化;而當(dāng)時(shí)間間隔大于20μs時(shí),激波串則開始出現(xiàn)大尺度變形、退化、消失和移動(dòng)。基于NPLS技術(shù)以及圖像處理能夠直觀地測(cè)量到激波串長度,與壓力測(cè)量對(duì)比表明兩種方法的結(jié)果較為符合。采用了功率譜分析、標(biāo)準(zhǔn)差、累和等多種方法探測(cè)激波串前緣位置,分析了激波串在形成以及向上游運(yùn)動(dòng)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(dòng)的最大幅值;激波串前緣過后,脈動(dòng)有所降低,但壓力繼續(xù)維持升高趨勢(shì);當(dāng)不啟動(dòng)發(fā)生時(shí)或激波串退回下游之后,脈動(dòng)幅值又恢復(fù)到之前狀態(tài)。激波串的運(yùn)動(dòng)受下游的節(jié)流速度影響,但是反壓的變化相對(duì)而言是描述激波串運(yùn)動(dòng)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(guān)系。小波分解的結(jié)果顯示,根據(jù)不同頻率的壓力脈動(dòng)分量大小可以將激波串的運(yùn)動(dòng)分為3種亞狀態(tài),包括以低頻壓力脈動(dòng)為主的激波串頭部到達(dá)、以高頻壓力脈動(dòng)為主、且向不啟動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)以及兩者中間相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于流動(dòng)控制方面,在隔離段入口分別布置了流向Delta渦流發(fā)生器和展向梯形渦流發(fā)生器陣列,其結(jié)果表明:在流向Delta渦流發(fā)生器作用下,激波串結(jié)構(gòu)受流向渦量作用時(shí)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(chǎn)生相對(duì)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(fù);而當(dāng)隔離段工作于亞燃狀態(tài)時(shí),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(fù)與推力;當(dāng)隔離段處于臨界狀態(tài)時(shí),梯形渦流發(fā)生器控制可以得到更高的抗反壓能力。為了探索非對(duì)稱來流條件對(duì)隔離段流場(chǎng)的影響,開展了來流馬赫數(shù)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(chǎng)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明頭罩攻角為0°~2°時(shí),收縮比較大、易造成隔離段非正常啟動(dòng),尤其是低馬赫數(shù)時(shí)。4°~12°時(shí),各馬赫數(shù)都較容易啟動(dòng)。14°~16°時(shí),在高馬赫數(shù)時(shí)表現(xiàn)較好。因此頭罩攻角在4°~12°范圍內(nèi)能夠?yàn)楦綦x段啟動(dòng)提供適度收縮的啟動(dòng)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)至隔離段堵塞而不啟動(dòng)狀態(tài)。結(jié)果表明由于隔離段堵塞,出口反壓增大向上游傳遞,導(dǎo)致了嚴(yán)重的邊界層分離、強(qiáng)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(shù)的增加,隔離段的啟動(dòng)情況得到改善。在高超聲速脈沖風(fēng)洞中開展了進(jìn)氣道-隔離段整體性能研究,結(jié)果表明:進(jìn)氣道前體壓縮面的前緣半徑增大,將導(dǎo)致前體壓縮面的壁面邊界層厚度增加、轉(zhuǎn)捩提前。而進(jìn)氣道整體攻角的增大,則主要引起前體壓縮面的壁面邊界層轉(zhuǎn)捩提前。進(jìn)氣道頭罩角度的增大使收縮比逐漸增大、壓力分布震蕩加劇同時(shí)啟動(dòng)性能降低。采用NPLS-DT(NPLS-Density Testing)及光線追跡法分析了隔離段下游燃燒室作為點(diǎn)火區(qū)的后臺(tái)階流場(chǎng),其OPD(Optic Path Difference)分布以及POD分解的物理解釋表明,點(diǎn)火區(qū)再附現(xiàn)象伴隨了強(qiáng)烈的密度脈動(dòng)對(duì)激波串和火焰的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。
【圖文】：

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文速條件并達(dá)到熱阻塞狀態(tài)。然而，，當(dāng)速度進(jìn)一步增加至馬赫 7 時(shí)，流動(dòng)被阻塞導(dǎo)致了壓力損失的增加以及運(yùn)行效率的降低。從亞聲速燃燒到超聲速燃燒的轉(zhuǎn)變是通過控制燃燒產(chǎn)生的熱量釋放（燃燒放熱）來實(shí)現(xiàn)的，這樣熱阻塞就會(huì)有所減弱一旦放熱減少到一定程度，流動(dòng)將不再被阻塞并且發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)大部分是超聲速。對(duì)于給定的發(fā)動(dòng)機(jī)馬赫數(shù)，放熱水平的降低可以通過減小燃料-流動(dòng)的比率那么當(dāng)燃燒發(fā)生于超聲速時(shí)，雙模態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)就工作于超燃模態(tài)。

激波串結(jié)構(gòu)及其壓力分布示意圖
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V235.21

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 田旭昂;王成鵬;程克明;;變截面隔離段流場(chǎng)數(shù)值分析[J];推進(jìn)技術(shù);2008年06期

2 金亮;吳先宇;羅世彬;王振國;;隔離段反壓對(duì)激波串起始位置的影響[J];推進(jìn)技術(shù);2008年01期

3 曹學(xué)斌;張X元;高亮杰;;一種帶抽吸狹縫的新型短隔離段數(shù)值研究[J];推進(jìn)技術(shù);2011年02期

4 陳植;易仕和;武宇;全鵬程;;節(jié)流方式對(duì)隔離段流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值仿真[J];國防科技大學(xué)學(xué)報(bào);2014年02期

5 王成鵬,張X元,金志光,李念;非均勻超聲來流矩形隔離段內(nèi)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[J];推進(jìn)技術(shù);2004年04期

6 杜泉;宋文艷;李強(qiáng);鄭亞明;;反壓氣流溫度及傳熱對(duì)隔離段激波串的影響[J];計(jì)算機(jī)仿真;2008年09期

7 袁化成;梁德旺;郭榮偉;李博;;反壓作用下等直隔離段性能估算[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2009年11期

8 曹學(xué)斌;張X元;金志光;;帶等寬度平直斜楔的非對(duì)稱來流短隔離段實(shí)驗(yàn)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2009年12期

9 曹學(xué)斌;張X元;方興軍;;非對(duì)稱來流下帶后掠斜楔的短隔離段實(shí)驗(yàn)研究[J];宇航學(xué)報(bào);2011年06期

10 王成鵬,張X元,楊建軍;帶進(jìn)氣道的隔離段流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[J];推進(jìn)技術(shù);2004年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 湯彬;鄒建鋒;鄭耀;;帶擴(kuò)張角的隔離段流場(chǎng)的數(shù)值研究[A];第三屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議文集[C];2010年

2 裘新;岳連捷;盧洪波;陳立紅;張新宇;;擴(kuò)張方式對(duì)隔離段流場(chǎng)特性的影響[A];第三屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議文集[C];2010年

3 李萌;岳連捷;張新宇;;隔離段三維流場(chǎng)特性及入射激波對(duì)隔離段流場(chǎng)影響的研究[A];高超聲速專題研討會(huì)暨第五屆全國高超聲速科學(xué)技術(shù)會(huì)議論文集[C];2012年

4 曹學(xué)斌;張X元;;非對(duì)稱來流下隔離段內(nèi)激波串受迫振蕩研究[A];第十三屆全國激波與激波管學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

5 曹學(xué)斌;張X元;;加斜楔縮短隔離段措施的一種改進(jìn)[A];第一屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

6 曹學(xué)斌;張X元;;非對(duì)稱來流下帶抽吸狹縫的短隔離段數(shù)值研究[A];第二屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議日程及摘要集[C];2009年

7 湯彬;鄒建鋒;鄭耀;;動(dòng)態(tài)進(jìn)口條件下隔離段流場(chǎng)的數(shù)值研究[A];中國力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

8 李萌;岳連捷;張新宇;;隔離段三維流場(chǎng)特性及入射激波對(duì)隔離段流場(chǎng)影響的研究[A];第七屆全國流體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2012年

9 高亮杰;張X元;曹學(xué)斌;甘寧鋼;;非對(duì)稱來流下帶粗糙度的隔離段實(shí)驗(yàn)研究[A];第四屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議日程及摘要集[C];2011年

10 丁猛;李樺;范曉檣;;超音速進(jìn)氣道—隔離段流場(chǎng)的數(shù)值模擬[A];第十屆全國計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議論文集[C];2000年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 陳植;超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段流動(dòng)機(jī)理及其控制的試驗(yàn)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

2 曹學(xué)斌;矩形隔離段流動(dòng)特性及控制規(guī)律研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

3 王成鵬;非對(duì)稱來流條件下超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段氣動(dòng)特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王赫;隔離段流場(chǎng)-壁面熱耦合機(jī)理[D];南京航空航天大學(xué);2014年

2 何粲;雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段流動(dòng)特性研究[D];中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心;2015年

3 田旭昂;變截面隔離段流動(dòng)特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2008年

4 王衛(wèi)星;非常規(guī)隔離段流場(chǎng)特征與氣動(dòng)性能的數(shù)值研究[D];南京航空航天大學(xué);2008年

5 高亮杰;非等直截面及復(fù)雜環(huán)境下隔離段流動(dòng)特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

6 陳明慧;帶楔板的三維隔離段設(shè)計(jì)與分析[D];浙江大學(xué);2014年

7 王淵;非對(duì)稱來流下矩形轉(zhuǎn)圓隔離段研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

8 鄧遠(yuǎn)灝;超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段流動(dòng)特性研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2005年

9 周淳;非均勻來流條件下超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)隔離段實(shí)驗(yàn)研究[D];南京航空航天大學(xué);2006年

10 趙陽陽;三維等直隔離段內(nèi)激波串特性研究[D];電子科技大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2563551