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压力恢复系统布局及效率的计算与分析

范晓樯  
【摘要】: 本文基于Favre质量加权平均的二维、轴对称及三维Navier-Stokes方程,建立了采用隐式LU-SGS方法和显式龙格库塔方法结合二阶TVD格式、湍流模型的有限体积定常/非定常数值算法,可用于求解超声速高超声速内流粘性复杂流场。 本文采用上述数值算法模拟了超声速扩压器和超声速引射器内流场。针对超声速扩压器,研究了其内部流场的激波串结构、激波边界层干扰结构和旋涡结构,分析了扩压器扩压能力及其各种影响因素,数值模拟了几种典型隔板布局条件下的超声速扩压器内部流场,并对数值结果作了分析;针对亚-超引射器,数值模拟了其内部流场引射气流与被引射气流的混合过程和压力恢复过程,并结合工程设计作出了分析。通过计算与分析,增进了对超声速湍流内部流场激波边界层干扰现象的理解,增加了对压力恢复系统流场结构与扩压性能的认识,为压力恢复系统的工程设计提供了一些有意义的结果: 一、对于矩形截面的超声速扩压器,矩形截面的长宽比对激波串的长度和激波串的分叉结构存在一定影响。激波串的长度受制于矩形截面的长宽比,可以建立一个适当的组合参数来作为入口截面的特征尺寸,使得在固定马赫数条件下激波串长度与该组合参数的比值近似于一个固定值,以方便工程设计应用。 二、超声速扩压器内部隔板的布局和隔板厚度对扩压器扩压能力存在着较大影响,工程设计中应针对具体隔板布局及隔板厚度作数值仿真,以了解在该布局条件下扩压器的压力恢复能力。 三、超声速引射器内部的混合流场极其复杂,影响引射效率、压力恢复能力及整个压力恢复系统的启动等方面的因素众多,工程设计中应该先采用理论分析结合工程估算的方法,分析引射器引射气流与被引射气流的流量比、混合室长度、喷嘴布局及其安装角等各种制约因素,确定设计方案后,才能采用数值方法着手设计验证,直接通过数值模拟的方法存在较大难度。 四、当来流马赫数较大时,观察到了等截面超声速扩压器内部激波串的自激振荡现象,本文最后一章采用非定常方法对这一现象作了数值仿真,并对其作了分析。在工程设计中也应考虑这一不稳定性因素。


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