翟文輝，田 園，王 茜

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院， 呼和浩特 010051)

高超聲速進(jìn)氣道是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮部件，它的主要作用是利用迎面高速氣流的速度沖壓，有效地將來(lái)流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，提高氣流的壓強(qiáng)，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供所需的空氣，其性能與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性息息相關(guān)[1-3]。

超聲速飛行器由外太空高速再入大氣層時(shí)，飛行速度非常大，經(jīng)過(guò)大氣層減速后吸氣式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，進(jìn)氣道處于嚴(yán)重超額定工作狀態(tài)[4-6]，有可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的流場(chǎng)。因此開(kāi)展進(jìn)氣道處于超額定工作狀態(tài)下的流場(chǎng)特性研究對(duì)該類(lèi)再入飛行器的設(shè)計(jì)有較大的指導(dǎo)價(jià)值。其中流動(dòng)控制是擴(kuò)展進(jìn)氣道工作范圍的常用方法之一，德國(guó)宇航研究中心[7-8]、澳大利亞HyShot計(jì)劃[9-10]、南京航空航天大學(xué)[11-12]等對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究。

對(duì)于吸氣式飛行器而言，進(jìn)氣道在設(shè)計(jì)狀態(tài)下優(yōu)良的氣動(dòng)性能不能保證其在所有的關(guān)鍵工作狀態(tài)下均能穩(wěn)定工作，特別處于超額定工作狀態(tài)時(shí)，進(jìn)氣道能否以較小的阻力及流動(dòng)損失為發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的、滿(mǎn)足一定品質(zhì)要求的氣流將是評(píng)價(jià)進(jìn)氣道綜合性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。不難看出，對(duì)于高超聲速進(jìn)氣道的研究，以及高超聲速進(jìn)氣道再入流場(chǎng)的特性研究，是實(shí)現(xiàn)大氣層內(nèi)高超聲速飛行亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 物理模型和計(jì)算方法

1.1 物理模型

為了方便計(jì)算和設(shè)計(jì)，本文選用二元三波系混壓式進(jìn)氣道[13-14]，設(shè)計(jì)參數(shù)為：飛行高度H=25 km，飛行馬赫數(shù)Ma=5。進(jìn)氣道整體型面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，其中總收縮比Ctotal=5，內(nèi)收縮比Cin=1.25。

圖1 進(jìn)氣道整體型面設(shè)計(jì)圖

當(dāng)再入馬赫數(shù)增大時(shí)，進(jìn)口處出現(xiàn)很強(qiáng)的激波系，破壞正常的流場(chǎng)分布，唇口激波和附面層的干擾導(dǎo)致的分離會(huì)造成喉部壅塞，可能導(dǎo)致進(jìn)氣道不起動(dòng)，因此在唇罩附近采用附面層抽吸技術(shù)[15-16]。不同抽吸位置如圖2所示，其中位置a與唇口的軸向距離為17.5 mm，沿軸向繼續(xù)偏移5 mm、10 mm，分別記為位置b、位置c。

(a) 位置a

(b) 位置b

(c) 位置c圖2 不同抽吸位置示意圖

1.2 計(jì)算方法及網(wǎng)格劃分

本文數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件Fluent，采用守恒型雷諾平均Navier-Stokes(N-S)方程，流動(dòng)基本方程采用二階迎風(fēng)差分離散，湍流模型選用k-ε模型，氣體密度采用理想氣體計(jì)算。進(jìn)氣道網(wǎng)格劃分如圖3所示，在壁面及流場(chǎng)相接處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖3 進(jìn)氣道網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

設(shè)定邊界：壓力遠(yuǎn)場(chǎng)、壓力出口、喉道、壁面、進(jìn)氣道出口，如圖1所示。表1列出了數(shù)值計(jì)算時(shí)的給定條件。

表1 數(shù)值計(jì)算給定條件

1.4 計(jì)算方法驗(yàn)證

本文采用文獻(xiàn)[17]關(guān)于帶泄流孔的激波附面層干擾的數(shù)值模擬方法，其仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較貼合，如圖4所示，其中P/P0為泄流孔出口壓力與來(lái)流總壓之比，說(shuō)明本文采用該數(shù)值方法對(duì)不同再入馬赫數(shù)下的流場(chǎng)特性進(jìn)行研究是可行的。

圖4 帶泄流孔與不帶泄流孔的靜壓分布[17]

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 不同再入馬赫數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性的影響

當(dāng)再入馬赫數(shù)為5.5～8時(shí)，與設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Ma=5的流場(chǎng)特性進(jìn)行對(duì)比，研究不同的再入馬赫數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性的影響。

從圖5(a)～圖5(g)可以看出，隨著再入馬赫數(shù)的增大，兩道斜激波不能在唇口處交匯，而且隨著馬赫數(shù)的增大，唇罩內(nèi)表面的分離包也會(huì)增大，隔離段上表面的附面層也增厚。

由圖6可知，馬赫數(shù)越大，總壓恢復(fù)系數(shù)σ越小，馬赫數(shù)由5增大到8時(shí)，總壓恢復(fù)系數(shù)由0.544降低到0.196，近似按照線性變化，進(jìn)氣道的流動(dòng)損失變得越來(lái)越大，而且唇口激波和附面層的干擾導(dǎo)致的分離使進(jìn)氣道的喉部壅塞，很可能導(dǎo)致進(jìn)氣道的不起動(dòng)。

高超聲速進(jìn)氣道之所以會(huì)不起動(dòng)，原因之一為進(jìn)氣道的進(jìn)口處出現(xiàn)了很強(qiáng)激波系，使得進(jìn)氣道內(nèi)不能產(chǎn)生正常的流場(chǎng)分布，總壓恢復(fù)系數(shù)會(huì)急劇下降，流場(chǎng)的品質(zhì)降低。采用附面層抽吸的方法，可以減小激波附面層相互干擾，改善喉部流場(chǎng)。抽吸的位置及流量大小對(duì)進(jìn)氣道性能的影響不同，下文將對(duì)此進(jìn)行研究。

2.2 槽的位置對(duì)流場(chǎng)特性的影響

在圖2中不同抽吸位置開(kāi)3 mm槽，開(kāi)槽位置不同時(shí)總壓恢復(fù)系數(shù)的變化曲線如圖7所示。由圖7可知，在設(shè)計(jì)點(diǎn)Ma=5，由于流場(chǎng)未發(fā)生畸變，開(kāi)槽與未開(kāi)槽時(shí)的總壓恢復(fù)系數(shù)基本相同，約為0.544。開(kāi)槽以后，隨著再入馬赫數(shù)的增大，開(kāi)槽對(duì)總壓恢復(fù)系數(shù)的影響也隨之增大，開(kāi)槽的位置不同，總壓恢復(fù)系數(shù)也不同。就本文數(shù)值仿真得到的結(jié)果而言，當(dāng)馬赫數(shù)在5到7.5時(shí)，在位置c處開(kāi)槽總壓恢復(fù)系數(shù)優(yōu)于位置a和b；當(dāng)馬赫數(shù)在7.5到8時(shí)，位置b的總壓恢復(fù)系數(shù)更大?？傮w看來(lái)，在位置c處開(kāi)槽比較好。

(a) 設(shè)計(jì)Ma=5進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖

(b) Ma=5.5進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖

(c) Ma=6進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖

(d) Ma=6.5進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖

(e) Ma=7進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖

(f) Ma=7.5進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖

(g) Ma=8進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖圖5 不同再入馬赫數(shù)進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值圖

圖6 Ma=5～8總壓恢復(fù)系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖

圖7 不同位置開(kāi)槽與未開(kāi)槽時(shí)總壓恢復(fù)系數(shù)變化曲線

以Ma=5和Ma=7為例分析沒(méi)有槽以及不同開(kāi)槽位置的馬赫數(shù)等值圖(圖8)可知，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，開(kāi)槽位置不同對(duì)流場(chǎng)基本無(wú)影響。再入馬赫數(shù)為7時(shí)，由于開(kāi)槽處激波的影響，在隔離段下表面產(chǎn)生的分離稍增大，但對(duì)進(jìn)氣道的性能沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大的影響。由圖8(e)～圖8(h)可以看出，開(kāi)槽以后，馬赫數(shù)增大時(shí)，會(huì)使隔離段上表面的附面層厚度減小，而且開(kāi)槽的位置不同，隔離段上表面附面層厚度減小相差不大，約43.3%。受開(kāi)槽處激波影響，開(kāi)槽位置越靠后，隔離段下表面的分離包位置越靠后，分離包越小。

2.3 槽的大小對(duì)流場(chǎng)特性的影響

由上述結(jié)果可知在位置c處開(kāi)槽最佳，下文對(duì)比未開(kāi)槽和在位置c處開(kāi)寬度為3 mm、2 mm、1 mm的槽對(duì)流場(chǎng)特性的影響進(jìn)行研究。

(a) 未開(kāi)槽Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(b) 位置a Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(c) 位置b Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(d) 位置c Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(e) 未開(kāi)槽Ma=7馬赫數(shù)等值圖

(f) 位置a Ma=7馬赫數(shù)等值圖

(g) 位置b Ma=7馬赫數(shù)等值圖

(h) 位置c Ma=7馬赫數(shù)等值圖

從圖9中可以看出，在設(shè)計(jì)點(diǎn)Ma=5，不論槽的大小為多少，總壓恢復(fù)系數(shù)基本相同，影響甚微。但隨著馬赫數(shù)增大，開(kāi)槽會(huì)使總壓恢復(fù)系數(shù)減小，可見(jiàn)抽吸是以降低高超聲速進(jìn)氣道的性能為代價(jià)的。從本文得到的結(jié)果看來(lái)，當(dāng)馬赫數(shù)為5到7時(shí)，2 mm槽與1 mm槽的總壓恢復(fù)系數(shù)降低值相差不大，約為0.02，3 mm槽的總壓恢復(fù)系數(shù)降低最多，約為0.04；當(dāng)馬赫數(shù)為7到8時(shí)，三個(gè)不同大小的槽總壓恢復(fù)系數(shù)降低基本相同。所以，開(kāi)槽越大，抽吸的流量越多，進(jìn)氣道的性能降低越多。

圖9 不同大小的槽與未開(kāi)槽時(shí)總壓恢復(fù)系數(shù)變化曲線

以Ma=5和Ma=7為例分析不同槽寬的馬赫數(shù)等值圖(圖10)可知，在設(shè)計(jì)點(diǎn)Ma=5，不同槽寬下的流場(chǎng)特性與未開(kāi)槽時(shí)基本相同，說(shuō)明在設(shè)計(jì)點(diǎn)槽寬對(duì)流場(chǎng)特性基本無(wú)影響。再入馬赫數(shù)為7時(shí)，由于槽的大小不同，開(kāi)槽處產(chǎn)生的激波強(qiáng)度不同，故在隔離段下表面產(chǎn)生的分離區(qū)的位置及大小發(fā)生變化，隔離段上表面附面層厚度h(從邊界層壁面開(kāi)始，到沿著壁面切向的流動(dòng)速度達(dá)到自由來(lái)流速度的99%的位置的垂直于壁面的高度)減小情況也不同，槽寬為3 mm、2 mm、1 mm時(shí)，與未開(kāi)槽相比附面層厚度減小約43.3%、71.6%、51.0%。

采用附面層抽吸的技術(shù)，并不會(huì)改變流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，它只是縮小了附面層的厚度，使隔離段下表面的分離區(qū)位置稍變化，它以較小的總壓損失大大減小了分離區(qū)對(duì)進(jìn)氣道性能的影響，有效改善了進(jìn)氣道的起動(dòng)性能。但是同時(shí)因?yàn)槌槲鴰?lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)重量的增加以及系統(tǒng)復(fù)雜性的增加等問(wèn)題，就需要綜合考慮來(lái)找到一個(gè)更適合的處理辦法。

(a) 未開(kāi)槽Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(b) 3 mm槽Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(c) 2 mm槽Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(d) 1 mm槽Ma=5馬赫數(shù)等值圖

(e) 未開(kāi)槽Ma=7馬赫數(shù)等值圖

(f) 3 mm槽Ma=7馬赫數(shù)等值圖

(g) 2 mm槽Ma=7馬赫數(shù)等值圖

(h) 1 mm槽Ma=7馬赫數(shù)等值圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)飛行高度25 km、飛行馬赫數(shù)為5的典型二元三波系混壓式進(jìn)氣道進(jìn)行了最大馬赫數(shù)為8的再入二維數(shù)值模擬，然后進(jìn)行抽吸位置和抽吸流量對(duì)進(jìn)氣道性能及總壓恢復(fù)系數(shù)的影響分析，得到以下主要結(jié)論：

(1) 隨著再入馬赫數(shù)的增大，兩道斜激波不能在唇口處交匯，而且馬赫數(shù)越大，唇罩內(nèi)表面的分離包越大，隔離段上表面的附面層也越厚，進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)越低。

(2) 在進(jìn)氣道合適的位置開(kāi)槽以后，馬赫數(shù)增大時(shí)，會(huì)使隔離段上表面的附面層厚度減小。在距唇口27.5 mm處開(kāi)槽可以使隔離段上表面附面層的厚度減小約43.3%，使隔離段下表面的分離包最小。

(3) 開(kāi)槽大小不同，產(chǎn)生的激波強(qiáng)度不同，在隔離段下表面分離區(qū)的位置及大小發(fā)生改變。隨著槽寬的增大，隔離段上表面附面層厚度先減小后增大，槽寬為2 mm時(shí)，附面層厚度減小約71.6%，效果最佳。