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《南京航空航天大学》 2017年
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二维/三维压缩高超声速进气道不起动机理及控制研究

张启帆  
【摘要】:不起动喘振现象是超声速、高超声速进气道非正常工作状态下出现的一类复杂气动现象,其具有强烈的非定常性和极强的破坏力。结合理论分析和风洞实验等手段,本文对二维和三维压缩的高超声速进气道不起动喘振流态及其喘振机理开展了较为系统的研究,并提出了相应的喘振频率预测方法和振荡流态控制方法。首先,为了加深对进气道不起动喘振现象的认识,本文对一种广义二元高超声速进气道在亚额定(Ma5)、额定(Ma6)以及超额定(Ma7)状态下的不起动过程依次进行了风洞实验研究。研究发现,该进气道亚额定状态和额定状态下的通流、节流流场结构较为相似,并在振荡阶段的末端均表现为一类以进口段分离包为扰动源的全流道大幅低频振荡。然而在超额定状态下,由于唇罩脱体激波的出现,其最后的振荡形式则表现为一类以进口段激波串不稳定特征为扰动源的局部低幅振荡。而后,本文针对具有一定三维压缩特征的高超声速侧压式进气道进行了不起动现象的马赫6级风洞实验研究。发现在不起动“大喘”状态下,该侧压式进气道的瞬态流场结构演化过程与常规二元进气道相类似,但在进气道口部不起动波系的推出阶段,在其收敛形进口段内形成了超声速整体倒流,且倒流马赫数高达1.56。并且,在口外不起动波系的回退过程中,依次在下游腔体与隔离段末端、通道进口与进气道喉道之间形成了声学振荡,故出现了两类高频二次谐振现象。进一步,针对具有全三维压缩特征的内转式进气道开展了不起动现象的马赫数5级风洞实验研究。研究表明,在较大攻角状态(6°)的低堵塞度不起动阶段,由于不起动过程中的口部分离包随机呈现出两种完全不同的演化过程,使得此时的瞬态流场结构表现为大、小两类振幅耦合的振荡形式。然而,随着堵塞度的增加或来流攻角的减小,这种耦合振荡现象将逐渐演变为具有明显基频的大幅振荡模式。基于对二维和三维压缩进气道喘振机理的认识,本文提出了高超声速进气道不起动喘振频率的一种预测方法。该方法将单个振荡周期划分为进气道腔体内高压气体积蓄和口外不起动波系运动两个阶段,并通过将进气道通道内结尾激波系的前传过程转化为对其腔体储气量的定量分析,将来流总温对应的滞止声速作为不起动波系口外运动最高速度,以及使用已有实验数据进行系数标定等方法,实现了对高超声速进气道不起动喘振频率的快速、准确预估。最后,本文分别提出了基于滑动多缝板的机械式、基于高压气体注射的气动式两类不起动喘振流态控制方法,并结合截短的二元高超声速进气道模型进行了风洞验证实验。结果表明,前者可通过滑动多缝板形成的泄流通道平衡进气道不起动时进出口流量差,起到抑制振荡的作用。后者可通过注入高压气体在进气道进口前形成“气动挡板”,使主流偏转并溢出通道外,从而消除通道内的气流壅塞,抑制流动振荡。两个控制方法均具有高效、通用、可快速响应等优点,并具有很好的可实现性。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V211.48

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【参考文献】
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