合成射流對高超聲速進(jìn)氣道起動特性影響數(shù)值模擬研究

王俊偉, 夏智勛, 羅振兵, 鄧 雄, 楊升科

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

高超聲速進(jìn)氣道是超然沖壓發(fā)動機(jī)的重要組成部分之一，高超聲速進(jìn)氣道不起動問題是高超聲速進(jìn)氣道研究熱點(diǎn)問題之一，國內(nèi)外對此開展了大量實驗與數(shù)值模擬研究[1-6]，取得了大量的研究成果。進(jìn)氣道在低于設(shè)計馬赫數(shù)狀態(tài)下飛行時，激波誘導(dǎo)邊界層分離是造成進(jìn)氣道不起動的主要原因，其中對邊界層分離控制有主動控制和被動控制，被動控制局限于工況的改變而無法做出相應(yīng)的調(diào)整[7-8]，而主動控制可以根據(jù)工況改變進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[9-12]。

合成射流是一種新型的主動流動控制方法，具有體積小、質(zhì)量輕、無需額外氣源等優(yōu)點(diǎn)[13-15]，其作用于非設(shè)計狀態(tài)下進(jìn)氣道內(nèi)分離區(qū)下部可以提高進(jìn)氣道內(nèi)部流場的穩(wěn)定性，改善流動分離導(dǎo)致的流動損失[16]。本文參考設(shè)計狀態(tài)為Ma=6.0的高超聲速進(jìn)氣道[17-18]，文獻(xiàn)[17-18]主要研究抽吸對進(jìn)氣道抗反壓能力的影響，本文對非設(shè)計狀態(tài)下高超聲速進(jìn)氣道進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬進(jìn)氣道帽罩打開后到流場穩(wěn)定過程中激勵器對進(jìn)氣道內(nèi)部流場的影響，對比分析有無合成射流作用于非設(shè)計馬赫數(shù)下進(jìn)氣道不起動過程，研究合成射流對內(nèi)部流場的影響，分析合成射流延遲進(jìn)氣道不起動的機(jī)理。

1 計算模型

1.1 邊界條件

數(shù)值模擬采用FLUENT商業(yè)軟件，圖1給出了進(jìn)氣道、隔離段簡圖。進(jìn)口條件采用壓力遠(yuǎn)場邊界條件，給定來流靜壓為8428.2 Pa、靜溫為216.7 K，來流馬赫數(shù)為3.5Ma；出口條件為壓力出口，給定出口反壓以及總溫747.6 K；壁面采用無滑移、絕熱條件。激勵器振動采用動網(wǎng)格進(jìn)行模擬，網(wǎng)格再生方法采用鋪層(Layering)方式；振動頻率1000 Hz,射流峰值速度為45 m/s。

圖1 進(jìn)氣道-隔離段物理模型簡圖Fig.1 Geometric sketch of the inlet-isolator model

1.2 控制方程及模擬方法

合成射流作用于高超聲速進(jìn)氣道為非定常過程，本文采用二維非定?？蓧嚎s雷諾時均N-S方程作為控制方程。控制方程采用有限體積法離散，湍流模型采用RNGk-e模型，其具有對射流和平板射流模擬中有較好的模擬結(jié)果，并且采用由壓力梯度引起的增強(qiáng)壁面法。網(wǎng)格量為4.8萬，同時對壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密，第一層網(wǎng)格距離壁面為0.03 mm，使y+值在1～3之間。激勵器網(wǎng)格及其附近網(wǎng)格進(jìn)行加密。方程采用隱式方法進(jìn)行求解，時間步長為1×10-5。

2 算例驗證

2.1 進(jìn)氣道壁面壓力驗證

為了更好的模擬進(jìn)氣道-隔離段中激波與邊界層的干擾，計算過程中先進(jìn)行初算而后利用自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行處理，收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差下降3個數(shù)量級，同時出口質(zhì)量流量不再發(fā)生變化或處于周期性變化。

首先對文獻(xiàn)[18]中背壓為來流靜壓的13與30倍進(jìn)行模擬，邊界條件與文獻(xiàn)[18]相同，圖2為下壁面壓力分布，坐標(biāo)刻度與文獻(xiàn)[17]一致。從下壁面壓力分布圖可知，在內(nèi)壓縮段壓力升高，隔離段上壓力變化趨勢相同。本文的數(shù)值計算對邊界層分離的高超聲速進(jìn)氣道不起動流場具有較好的模擬能力，結(jié)果可信。

圖2 進(jìn)氣道-隔離段壁面壓力分布(文獻(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與本文仿真數(shù)據(jù))Fig.2 Distributions of static pressure in inlet-isolator (Paper data and Computation data)

2.2 進(jìn)氣道帽罩打開前流場驗證

圖3為帽罩未打開時進(jìn)氣道馬赫等值線圖，與文獻(xiàn)[19]形成的馬赫流場等值線圖類似。

(a) 無激勵進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值線圖

(b) 有激勵器進(jìn)氣道馬赫數(shù)等值線圖

帽罩脫體激波與邊界層相互作用產(chǎn)生極大分離區(qū)，分離高度與文獻(xiàn)中描述類似達(dá)到唇口高度量級，結(jié)果可信。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 無激勵器作用進(jìn)氣道不起動過程分析

圖4為無激勵器作用進(jìn)氣道，帽罩打開以后，t=21.5 ms到49.5 ms進(jìn)氣道內(nèi)流場變化馬赫數(shù)等值線圖。帽罩打開后氣流進(jìn)入進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段，來流在進(jìn)氣道內(nèi)加速；t=21.5 ms時，氣流已經(jīng)在隔離段尾部，楔板上分離泡消失，分離泡形成的分離激波消失。t=24ms進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段后部邊界上出現(xiàn)小范圍邊界層分離，進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段后部形成的邊界層分離是由唇口激波誘導(dǎo)內(nèi)壓縮段邊界層所致。t=26.5 ms隔離段前部邊界上出現(xiàn)小范圍邊界層分離，進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段邊界層分離區(qū)與隔離段前部邊界層分離區(qū)彼此分開。

t=27.5 ms時兩邊界層分離區(qū)擴(kuò)大、相互連接形成大分離泡，大分離泡的形成導(dǎo)致進(jìn)氣道喉部面積減小、內(nèi)收縮比增大，進(jìn)氣道捕獲流量沒有改變造成內(nèi)壓縮段邊界層分離區(qū)逐漸向上游發(fā)展、擴(kuò)大形成分離泡出現(xiàn)分離激波，分離激波打在外罩上誘導(dǎo)外罩邊界層分離。

(a) t=21.5 ms

(b) t=24 ms

(c) t=26.5 ms

(d) t=27.5 ms

(e) t=30 ms

(f) t=32 ms

(g) t=38 ms

(h) t=45 ms

(i) t=45.5 ms

(j) t=49.5 ms

t=27.5 ms到t=32ms觀察到分離泡擴(kuò)大，分離激波增強(qiáng)并且分離激波前移，打在外罩上誘導(dǎo)的分離區(qū)也向上游移動，外罩上的分離泡與內(nèi)壓縮段分離泡在進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段后部形成先縮小后擴(kuò)張的氣動喉道，如圖t=32ms。

分離泡的擴(kuò)大、增長以及氣動喉道的形成使進(jìn)氣道出現(xiàn)壅塞，進(jìn)氣道流量捕獲沒有減少，隔離段內(nèi)壓力增大，致使壅塞矛盾進(jìn)一步加劇，分離泡與分離激波快速向上游發(fā)展，外罩上由分離激波誘導(dǎo)的外罩分離泡也向上游發(fā)展，內(nèi)壓縮段上的分離激波隨著邊界層分離區(qū)的增厚而增強(qiáng)。

捕獲的流量依然沒有改變，這一矛盾導(dǎo)致內(nèi)壓縮段上的分離泡快速向上游發(fā)展，分離激波也相應(yīng)快速的向上游移動。進(jìn)氣道在t=38ms時，內(nèi)壓縮段上分離區(qū)前部達(dá)到唇口X坐標(biāo)位置，t=45 ms時內(nèi)壓縮段邊界層分離區(qū)從進(jìn)氣道內(nèi)部推出，分離激波打在唇口，氣動喉道推至唇口位置，此時并未發(fā)生溢流。壅塞矛盾并未解決，進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段上分離泡后部再次形成氣動喉道，t=45.5 ms，溢流開始，唇口處壓力緩慢降低。

隨著分離泡進(jìn)一步向上游發(fā)展，分離激波從進(jìn)氣道內(nèi)吐出，溢流量增加，壅塞的矛盾逐漸解決。t=49.5 ms以后進(jìn)氣道內(nèi)部流場不再發(fā)生變化，溢流量穩(wěn)定，唇口處與內(nèi)壓縮段分離泡后部形成的兩處氣動喉道逐漸減弱至消失。

綜上所述，進(jìn)氣道不起動過程：唇口激波誘導(dǎo)內(nèi)壓縮段邊界層分離，該分離區(qū)與隔離段分離區(qū)連接形成大分離泡，大分離泡破壞了進(jìn)氣道的幾何構(gòu)型，減小進(jìn)氣道喉部面積，其又促使分離泡變長、變厚，分離泡變大形成強(qiáng)分離激波，該激波進(jìn)而誘導(dǎo)外罩上邊界層分離；內(nèi)壓縮段上大分離泡與外罩上小分離泡形成氣動喉道致使進(jìn)氣道壅塞；進(jìn)氣道捕獲流量沒有改變，壅塞矛盾加劇又促進(jìn)邊界層分離區(qū)快速向上游發(fā)展，待分離激波從進(jìn)氣道內(nèi)吐出產(chǎn)生溢流，自此進(jìn)氣道不起動。進(jìn)氣道不起動流場穩(wěn)定的標(biāo)志是內(nèi)收縮段上的氣動喉道的消失。

3.2 合成射流作用下進(jìn)氣道不起動過程分析

圖5為有激勵器作用進(jìn)氣道，帽罩打開以后，t=21.5 ms到t=95 ms進(jìn)氣道內(nèi)流場變化的馬赫數(shù)等值線圖。由圖4、圖5觀察到有激勵器作用于進(jìn)氣道與無激勵器作用進(jìn)氣道不起動過程有相同之處，但是在相同條件下有激勵器的作用時進(jìn)氣道的起動時間增長。

從圖5：t=21.5 ms可知激勵器吸入高速來流，對比圖4：t=21.5 ms時發(fā)現(xiàn)高速來流運(yùn)動長度較短，可知激勵器的工作減緩了來流沖擊的速度，這有助于發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火。t=24ms時進(jìn)氣道楔板上大分離泡及分離激波幾乎消失這與無激勵器作用進(jìn)氣道時相同。同在t=26.5 ms時內(nèi)壓縮段上邊界層開始分離。較之于無激勵器作用的進(jìn)氣道，有激勵器作用的進(jìn)氣道在t=45 ms時兩分離區(qū)才連合形成分離泡，其原因為：合成射流作用于內(nèi)部流場，內(nèi)壓縮段與隔離段交界處的低速氣流被激勵器吸入腔體內(nèi)，隔斷了內(nèi)壓縮段與隔離段上兩分離邊界層的連接，進(jìn)氣道的喉道面積沒有減少，這阻礙了邊界層分離區(qū)迅速擴(kuò)大、變厚，然而在唇口激波的持續(xù)作用下，內(nèi)壓縮段上的分離區(qū)逐漸增長、變大、變厚，在t=45 ms時合成射流的吸/吹作用已經(jīng)無法阻隔增長、變厚的分離，自此兩邊界相連形成相連分離區(qū)。

(a) t=21.5 ms

(b) t=24 ms

(c) t=26.5 ms

(d) t=45 ms

(e) t=68 ms

(f) t=85.5 ms

(g) t=86.5 ms

(h) t=95 ms

相連分離區(qū)形成的分離泡使得進(jìn)氣道喉道面積減少，破壞了進(jìn)氣道的幾何構(gòu)型，分離泡迅速發(fā)展擴(kuò)大，形成強(qiáng)分離激波，此后的發(fā)展與無激勵的進(jìn)氣道類似。t=68ms時進(jìn)氣道產(chǎn)生氣動喉道，進(jìn)氣道出現(xiàn)壅塞，壅塞的進(jìn)氣道加速分離泡的增長并快速向上游發(fā)展，t=85.5 ms時分離泡被推出內(nèi)壓縮段，分離激波打在唇口，內(nèi)壓縮段后部再次形成氣動喉道。t=86.5 ms時分離激波開始離開唇口，進(jìn)氣道開始出現(xiàn)溢流，至此進(jìn)氣道不起動，到t=95 ms時壅塞矛盾得到解決，分離泡不再向上游發(fā)展，分離激波造成的溢流逐漸穩(wěn)定，氣動喉道逐漸減弱至消失，進(jìn)氣道不起動流場穩(wěn)定。

綜上所述，合成射流作用于進(jìn)氣道不起動過程：唇口激波誘導(dǎo)內(nèi)壓縮段邊界層分離，分離邊界層的增長、變厚超出了合成射流的作用范圍使得兩分離區(qū)連接形成大分離泡，分離泡變大形成分離激波，該激波誘導(dǎo)外罩上邊界層分離；內(nèi)壓縮段上大分離泡與外罩上小分離泡連合形成氣動喉道，進(jìn)氣道壅塞；壅塞的進(jìn)氣道促使邊界層分離進(jìn)一步向上游發(fā)展，分離激波從進(jìn)氣道內(nèi)吐出、產(chǎn)生溢流，進(jìn)氣道不起動。

合成射流作用于進(jìn)氣道內(nèi)部流場減緩了來流速度，一定程度上減低了發(fā)動機(jī)點(diǎn)火難度；并且增加了進(jìn)氣道的起動時間，為發(fā)動機(jī)提供了較多的流量。

合成射流作用于進(jìn)氣道內(nèi)部流場時，延遲進(jìn)氣道不起動的機(jī)理是激勵器的吸/吹作用阻礙了兩剛分離邊界層的連合形成大分離泡和分離激波。然而隨著內(nèi)壓縮段上和隔離段上的邊界層分離繼續(xù)增長、擴(kuò)大，激勵器的作用已無法有效作用時，兩分離區(qū)連合形成大分離泡，形成的分離泡又破壞了進(jìn)氣道幾何構(gòu)型，使得分離泡快速增大、分離激波增強(qiáng)，此后與無激勵器的進(jìn)氣道具有相似的流場變化。

3.3 進(jìn)氣道工作過程對激勵器的影響

圖6可知激勵器膜片壓力隨著時間逐漸增大，t=20ms到t=45 ms時膜片壓力急劇增加，這與3.2節(jié)中來流剛進(jìn)入內(nèi)壓縮段到兩邊界層相連形成相連分離區(qū)時間相對應(yīng)，來流剛進(jìn)入內(nèi)壓縮段時，激勵器內(nèi)壓力較小，隨著來流充滿隔離段，高速來流涌入激勵器內(nèi)使得膜片的壓力迅速升高，如圖7(a)t=30ms激勵器處在吸氣狀態(tài)時進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段、隔離段內(nèi)壓力云圖。

圖6 膜片壓力隨時間變化趨勢Fig.6 Pressure of diaphragm over time

t=45 ms到t=95 ms邊界層從開始分離、形成大分離泡、出現(xiàn)氣動喉道到分離激波從進(jìn)氣道唇口吐出，腔體壓力呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，圖7(b)為t=60ms時進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段及隔離段內(nèi)壓力云圖，可知腔體壓力與隔離段內(nèi)壓力相同。

分離泡及其激波達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)氣道流場穩(wěn)定后膜片的壓力也在14倍來流壓力下保持穩(wěn)定，圖7(c)是t=90ms進(jìn)氣道隔離段及內(nèi)壓縮段內(nèi)壓力云圖。

激勵器膜片壓力曲線反映著激勵器各時段工作狀態(tài)。

(a) t=30 ms

(b) t=60 ms

(c) t=90 ms

目前，合成射流激勵器使用的是壓電陶瓷膜片，壓電陶瓷屬于脆性材料，過大的壓載將導(dǎo)致膜片無法振動甚至破裂。合成射流激勵器振動膜單向壓載過大是限制其實際應(yīng)用于超聲速/高超聲速進(jìn)氣道內(nèi)流動控制方式的主要原因。

4 結(jié) 論

本文通過對非設(shè)計馬赫數(shù)下的進(jìn)氣道進(jìn)行數(shù)值仿真，對比有無合成射流激勵器作用于高超聲速進(jìn)氣道內(nèi)流場，分析了其對進(jìn)氣道起動性能的影響、作用機(jī)理，并且分析了進(jìn)氣道起動過程中對合成射流激勵器本身的影響，得到以下結(jié)論：

1) 合成射流激勵器作用于高超聲速進(jìn)氣道具有一定的效果，在相同條件下可以延長進(jìn)氣道起動時間，其機(jī)理是激勵器的吸/吹作用產(chǎn)生的擾動阻礙了兩處(內(nèi)壓縮段后部與隔離段前部)剛分離的小分離泡連合，主要表現(xiàn)為激勵器吸入低速氣流、噴出氣流給邊界層增加能量，進(jìn)而阻礙了分離區(qū)迅速擴(kuò)大、形成強(qiáng)分離激波，延長了進(jìn)氣道的起動時間。

2) 進(jìn)氣道工作過程中，合成射流激勵器腔體內(nèi)壓力變化呈現(xiàn)三個階段：快速上升階段、緩慢上升階段和穩(wěn)定階段，對應(yīng)著進(jìn)氣道帽罩打開到形成相連分離區(qū)階段、分離泡增大變厚到不起動流場穩(wěn)定階段和不起動流場穩(wěn)定后階段。激勵器腔體壓力升高，膜片單向承載壓力增大，最終達(dá)到14倍來流壓力。激勵器膜片單向受載過大難以使其實際應(yīng)用于超聲速/高超聲速進(jìn)氣道內(nèi)。