超燃沖壓發(fā)動機S彎隔離段激波串數(shù)值研究

安　彬，范曉檣，李騰驥，熊　冰

（國防科學技術(shù)大學高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，湖南長沙410073）

超燃沖壓發(fā)動機S彎隔離段激波串數(shù)值研究

安彬，范曉檣，李騰驥，熊冰

（國防科學技術(shù)大學高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，湖南長沙410073）

S彎隔離段可以解決進氣道出口和燃燒室入口處在不同水平高度的飛行器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的困難。為考察來流馬赫數(shù)為2.0時S彎構(gòu)型對隔離段流場結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的影響，在不同邊界條件下對3種不同轉(zhuǎn)彎方式的S彎隔離段和等直隔離段進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在流場結(jié)構(gòu)方面，S彎隔離段入口拐角處出現(xiàn)斜激波/膨脹波的相交與反射，上、下壁面分離區(qū)交替擴大、縮小。在抗反壓性能方面，中心對稱型和后部轉(zhuǎn)彎較急型隔離段性能稍遜于等直隔離段，前部轉(zhuǎn)彎較急型隔離段性能與等直隔離段相當。在總壓恢復性能方面，高反壓時前部轉(zhuǎn)彎較急型隔離段性能最好，但在低反壓時流場存在劇烈振蕩，總壓恢復性能最差。因此工作在高反壓條件下的隔離段推薦采用前部轉(zhuǎn)彎較急型，而低反壓條件下則采用另外兩種比較合適。入口邊界層厚度對S彎隔離段流場結(jié)構(gòu)和性能的影響有限。

S彎隔離段；轉(zhuǎn)彎方式；流場結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬

0　引言

隔離段始于進氣道喉部終于燃燒室入口，是影響超燃沖壓發(fā)動機工作的重要部件。其主要作用是通過“激波串”和“偽激波”對來流進行減速增壓，以達到承受燃燒室較高反壓并隔離（或削弱） 進氣道與燃燒室間相互干擾的目的[1]。因此，研究隔離段的流場結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)具有重要意義。

為優(yōu)化隔離段設(shè)計，人們對隔離段流場結(jié)構(gòu)和性能規(guī)律進行了深入的研究。20世紀80年代，Om針對等直圓管進行激波串實驗[2-3]，獲得了邊界層厚度沿軸向的分布，并建立了描述激波串中激波形成的一維模型，而后Sullins和Carroll等研究了矩形管道中的激波/邊界層干擾現(xiàn)象[4-5]。在圓形、矩形截面內(nèi)流道研究的基礎(chǔ)上，田旭昂提出了矩形進口轉(zhuǎn)圓形出口的變截面隔離段[6]，而王衛(wèi)星則受到Smart M K設(shè)計的矩形進口轉(zhuǎn)橢圓出口進氣道的啟發(fā)提出橢圓形截面隔離段[7－8]。另外，國內(nèi)外研究人員同樣考察了非對稱來流、反壓氣流的溫度等流動參數(shù)和隔板、抽吸狹縫、斜楔等流動控制方法對隔離段性能的影響[9-13]。

上述研究主要集中在直線型隔離段，但在工程實踐中，部分飛行器的進氣道出口和燃燒室入口處在不同的水平高度，如高超聲速雙模態(tài)發(fā)動機[14]。直線型隔離段難以滿足此類飛行器在結(jié)構(gòu)設(shè)計和總體布局上的需要，而S彎隔離段則可能是解決上述問題的有效方法。對于彎曲管道，譚慧俊考查了二維弧形管道的曲率、入口馬赫數(shù)、入口邊界層厚度等對激波串長度、總壓恢復特性、抗反壓特性等參數(shù)的影響[15-16]，郭善廣則對超聲速轉(zhuǎn)彎流道內(nèi)的遲滯現(xiàn)象進行了詳細研究[17]。Menzies等對S彎管道的數(shù)值計算表明入口流動為亞聲速時無粘模型可以很好地預測流動的發(fā)展趨勢[18]，Bruns等測量了S彎管道中邊界層的發(fā)展[19]，Lefantzi等提出了一種優(yōu)化S彎擴壓器的方法[20]。但總體上講，目前國內(nèi)關(guān)于S彎隔離段的研究資料較為貧乏，而國外的研究主要在亞聲速方面，超聲入口條件下S彎隔離段內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)仍未為人所知。本文針對這一現(xiàn)狀，設(shè)計3種不同轉(zhuǎn)彎方式的等截面S彎隔離段和等直隔離段作為案例進行數(shù)值模擬，考查轉(zhuǎn)彎方式、入口條件、反壓對隔離段流場結(jié)構(gòu)和性能的影響，為工程設(shè)計提供一定參考。

1　物理模型與數(shù)值方法

1.1物理模型

采用3次b-spline曲線構(gòu)造S彎隔離段的中心線[17]，如圖1（a）所示。在獲得中心線的基礎(chǔ)上根據(jù)隔離段入口高度獲得上、下壁面曲線，如圖1（b）所示。本文主要涉及2類隔離段：

1）等直隔離段（用DZ表示）。隔離段入口高度H=56 mm（半高h=28 mm），橫向長度l= 600 mm，如圖1（c）所示。

2） 等截面S彎隔離段。隔離段入口高度H=56 mm，橫向長度l=600 mm，縱向偏置距離d=600 mm。根據(jù)中心線構(gòu)型將其分為前急后緩型（最大曲率出現(xiàn)在曲線前部）、中心對稱型（曲線關(guān)于點O中心對稱）和前緩后急型（最大曲率出現(xiàn)在曲線后部），3種構(gòu)型分別用S1，S2和S3表示。

圖1　隔離段構(gòu)型示意圖Fig.1　Schematic sketch for configurations of different isolation sections

1.2數(shù)值方法及驗證

采用有限體積法對二維雷諾平均N-S方程進行離散求解，湍流模型為標準k-ε模型，對流通項為Roe-FDS，流動項為二階迎風格式，湍動能和湍流耗散率均為一階迎風格式，時間相關(guān)項的計算方法采用一階隱式，庫朗數(shù)為0.8。計算時通過檢測壁面分離點位置是否穩(wěn)定來判斷流場是否非定常，在對流場進行非定常計算時取時間步長為1×10－6s。

網(wǎng)格在壁面區(qū)采用指數(shù)加密（第一層厚度為0.01 mm），在橫向上均勻分布（寬度為1 mm）。驗證算例和研究算例的網(wǎng)格在縱向和橫向上的分布分別為200×754和200×600。

在邊界條件的設(shè)置上采用壓力入口、壓力出口和絕熱無滑移壁面。為使入口邊界層的設(shè)置更符合實際，在入口處總壓為101 325 Pa，總溫為300 K，通過數(shù)值模擬獲得等直管道中邊界層發(fā)展規(guī)律，并提取指定邊界層厚度對應截面的流動參數(shù)作為入口條件。流場采用入口參數(shù)初始化。

為檢驗數(shù)值方法的可信度，采用文獻 [5]的實驗結(jié)果進行驗證，管道的幾何參數(shù)和來流條件均取自實驗數(shù)據(jù)。

圖2（a）是Mai=1.61，δ/h=0.32時（δ為邊界層的實際厚度）實驗獲得的馬赫數(shù)等值線，圖2（b）為計算結(jié)果，圖2（c）為壁面靜壓分布。由圖2可知，采用的數(shù)值計算方法比較成功地模擬了管道中的激波串現(xiàn)象，管道中依次出現(xiàn)分叉激波和后續(xù)激波，激波在形態(tài)和位置上都與實驗吻合得較好；壁面靜壓分布的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相比雖然存在一定差異，但變化趨勢基本吻合。

圖2　數(shù)值計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比Fig.2　Comparison of numerical calculation and experimental results

2　計算結(jié)果與分析

2.1轉(zhuǎn)彎方式對流場結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)的影響

本節(jié)主要在入口馬赫數(shù)Mai=2.0，入口邊界層厚度δ/h=0.101下對3種S彎隔離段和等直隔離段進行數(shù)值模擬，考查轉(zhuǎn)彎方式對隔離段流場結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的影響。應指出的是，某些反壓條件會導致流場振蕩，此時相應參數(shù)采用時間平均處理。

2.1.1轉(zhuǎn)彎方式對流場結(jié)構(gòu)的影響

S1型，S2型，S3型和等直隔離段在不同反壓下馬赫數(shù)等值線見圖3（圖3中pb/pi是隔離段出口反壓與入口靜壓之比）。由圖易知相比于等直隔離段3種S彎隔離段的流場結(jié)構(gòu)具有以下特點：

1） 隔離段入口拐角處出現(xiàn)斜激波/膨脹波（Ⅰ）的相交和反射；

2） 反壓升高導致壁面分離點向上游移動，上、下壁面分離區(qū)（Ⅱ）交替擴大、縮小，流場結(jié)構(gòu)具有明顯的非對稱性。

但是S彎型和直線型兩類隔離段在激波串整體結(jié)構(gòu)方面具有相似性。隨著反壓增加，2類隔離段中依次出現(xiàn)2道相交分離斜激波（Ⅲ）、以正激波成分為主的第二道激波（Ⅳ）等流場結(jié)構(gòu)。反壓較高時第一道激波轉(zhuǎn)變?yōu)榉植婕げú⒊霈F(xiàn)馬赫桿（V）。

圖3　S彎和等直隔離段在不同反壓下的馬赫數(shù)等值線圖Fig.3　Mach number contours of S-shaped and straight isolators under different backpressure

此外，各隔離段在壁面分離點位置方面也存在一定異同。圖4是4種隔離段壁面分離點位置隨反壓的變化，上、下壁面分離點位置定義為分離點所在截面與出口截面之間中心線的長度，并以隔離段中心線總長無量綱化，分別用Su和Sl表示。由圖4可知，隨著反壓升高，各隔離段壁面分離點均向上游移動，pb/pi≤3.5時移動較慢，pb/pi>3.5時移動較快。分析原因可知：激波串的靜壓恢復能力較強，可在較短長度內(nèi)實現(xiàn)較大的靜壓恢復，而混合區(qū)的靜壓恢復能力較弱。反壓較低時，隔離段主要通過激波串來承受反壓，此時隨反壓的升高分離點位置向上游移動的速度較慢，且與反壓近似呈線性關(guān)系；反壓較高時，激波串發(fā)展比較完全，隔離段只能通過增加混合區(qū)長度以承受新增反壓，此時隨反壓的升高分離點迅速向上游移動。與等直隔離段相比，S彎隔離段壁面分離點在反壓較低時比較靠前，反壓較高時與等直隔離段相近。對比3種S彎隔離段發(fā)現(xiàn)，反壓較低時，相同反壓下各隔離段分離點位置從前到后依次為S1型、S2型和S3型，反壓較高時，上述順序顛倒。

圖4　各隔離段壁面分離點位置Fig.4　Separation point position of different isolators

2.1.2轉(zhuǎn)彎方式對性能參數(shù)的影響

高反壓下激波串起始位置對反壓變化比較敏感。以S2型隔離段為例，當pb/pi=4.1時激波串位于隔離段內(nèi)，而pb/pi=4.2時激波串被推至隔離段入口處，若沒有入口邊界條件限制激波串已被推出隔離段，因此認為該隔離段所能承受的最大反壓pbmax/pi在4.1～4.2之間（pbmax是隔離段所能承受出口反壓的最大值）。本文中隔離段抗反壓能力均以最大反壓范圍的形式給出。

表1為各隔離段的抗反壓能力。由表1可知S1型和等直隔離段抗反壓能力相近，S2型和S3型抗反壓能力相當，等直隔離段最大反壓范圍的下限比S2型和S3型高3.7%。因此，S彎隔離段抗反壓能力比等直隔離段略低，但二者相差不大。

表1　各隔離段抗反壓能力Tab.1　Backpressure resistance ability

4種隔離段在不同反壓下的總壓恢復系數(shù)σ如圖5所示。

圖5　各隔離段總壓恢復系數(shù)Fig.5　Total pressure recovery coefficient of different isolators

從整體上看，隨著反壓的升高，各隔離段總壓恢復系數(shù)均呈下降趨勢。S1型隔離段在pb/pi< 3.5時總壓恢復能力低于另外3種隔離段，在pb/ pi≥3.5時略高于其他隔離段，這可能是因為S1型隔離段流場在低反壓下存在劇烈振蕩。S2型和S3型總壓恢復系數(shù)隨反壓的變化規(guī)律相近，在pb/pi<3.8時總壓恢復能力低于等直隔離段，在pb/ pi≥3.8時與等直隔離段相當。所以，在低反壓時S彎隔離段的總壓恢復能力低于等直隔離段，而在高反壓時與其大致相當，其中S1型隔離段更優(yōu)。主要原因是低反壓時S彎隔離段中激波串上游的入口斜激波及其反射波造成了較大的總壓損失，隨著反壓升高，激波串向上游推進，入口斜激波反射次數(shù)減少，由此導致的總壓損失也隨之下降。另外，S2型、S3型和等直隔離段在pb/pi> 4.0時總壓恢復系數(shù)均出現(xiàn)上升，可能是因為高反壓時混合區(qū)較長，總壓可以得到相對充分的恢復。

2.2入口邊界層厚度對流場結(jié)構(gòu)與性能的影響

本節(jié)在入口馬赫數(shù)Mai=2.0時研究入口邊界層厚度δ/h對S2型隔離段流場結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的影響。

pb/pi=3.8時S2型隔離段在不同入口邊界層厚度下的激波串結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，與圖3（b）相似。上、下壁面分離點位置和總壓恢復系數(shù)如圖6所示。由圖6可知，入口邊界層厚度δ/h由0.101增加到0.347，增加243.6%，上、下壁面分離點向上游分別移動0.125和0.097，總壓恢復系數(shù)上升3.8%。

圖6　不同入口邊界層厚度下分離點位置與總壓恢復系數(shù)Fig.6　Separation point position&Total pressure recovery coefficient under different inlet boundary layer thickness

由表2可知，隨著邊界層厚度的增加，隔離段抗反壓能力呈下降趨勢，pbmax/pi的下限下降4.9%。所以入口邊界層厚度對S彎隔離段性能參數(shù)的影響較小。

表2　入口邊界層厚度對抗反壓能力的影響Tab.2　Effect of inlet boundary thickness on backpressure resistance ability

3　結(jié)論

對4種不同構(gòu)型的隔離段進行數(shù)值模擬，考查了轉(zhuǎn)彎方式和入口參數(shù)對隔離段流場結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：

1）S彎型和直線型2類隔離段中激波串的整體結(jié)構(gòu)是相似的，但S彎隔離段中激波串不對稱性強，而且在入口拐角處存在斜激波/膨脹波的相交與反射。

2）入口馬赫數(shù)為2.0時，高反壓下S1型隔離段性能優(yōu)于另外2種S彎隔離段，低反壓下S2型和S3型隔離段性能相當，但S1型隔離段內(nèi)部流場存在劇烈蕩，故反壓較高時推薦S1型隔離段而在反壓較低時推薦S2型和S3型隔離段。

3）入口邊界層厚度對S彎隔離段流場的影響比較有限，增加其厚度會導致總壓恢復系數(shù)的提高和抗反壓能力的小幅下降。

[1]丁猛.超聲速/高超聲速進氣道-隔離段流場的數(shù)值模擬[D].長沙:國防科技大學,2001.

[2]OM D,CHILDS M E.Multiple transonic shock-wave/ turbulent boundary-layer interaction in a circular duct[J]. AIAA journal,1985,23(10):1506-1511.

[3]OM D,VIEGAS J R,Childs M E.Transonic shockwave/turbulent boundary-layer interactions in a circular duct[J].AIAA journal,1985,23(5):707-714.

[4]SULLINS G,MCLAFFERTY G.Experimental results of shock trains in rectangular ducts:AIAA 1992-5013[R]. USA:AIAA,1992.

[5]CARROLL B F,LOPEZ-FEMANDEZ P A,DUTTON J C. Compu-tations and experiments for a multiple normal shock/boundary-layer interaction[J].Journal of propulsion and power,1993,9(3):405-411.

[6]田旭昂,王成鵬,程克明.變截面隔離段流場數(shù)值分析[J].推進技術(shù),2008,29(6):690-695.

[7]王衛(wèi)星,李博,郭榮偉.不同反壓下橢圓形隔離段流場特征與氣動性能[J].航空動力學報,2010,25(3):647-653.

[8]SMART M K.Experimental testing of a hypersonic inlet with rectangular-to-elliptical shape transion[J].Journal of propulsion and power,2001,17(2):276-283.

[9]王成鵬,張堃元,程克明.非對稱來流隔離段流動特性研究[J].推進技術(shù),2006,27(5):436-440.

[10]杜泉,宋文艷,李強,等.反壓氣流溫度及傳熱對隔離段激波串的影響[J].計算機仿真,2008,25(9):32-36.

[11]王成鵬,張堃元.非對稱來流下帶隔板的二維短隔離段研究[J].推進技術(shù),2006,27(1):66-70.

[12]曹學斌,張堃元,高亮杰.一種帶抽吸狹縫的新型短隔離段數(shù)值研究[J].推進技術(shù),2011,32(2):159-164.

[13]曹學斌,張堃元,方興軍.非對稱來流下帶后掠斜楔的短隔離段實驗研究[J].宇航學報,2011,32(6):1333-1338.

[14]BILLING F S,WALTRUP P J,STOCKBRIGE R D. Integral-rocketdual-combustionramjets:anewpropulsion con-cept[J].Spacecraft and rockets,1980,17(5):416-424.

[15]譚慧俊,郭榮偉.二維彎曲等截面管道中的激波串特性研究[J].航空學報,2006,27(6):1039-1045.

[16]TAN H J,SUN S.Preliminary study of shock train in a curved variable-section diffuser[J].Journal of propulsion and power,2008,24(2):245-252.

[17]郭善廣,王振國,趙玉新.超聲速轉(zhuǎn)彎流道內(nèi)的遲滯現(xiàn)象[J].國防科技大學學報,2014,36(4):10-14.

[18]MENZIES R,BADCOK K J,BARAKOS G N,et al. Validation of the simulation of flow in an S-duct[J]. Scientific world journal,2002,2014(7):983-990.

[19]BRUNS J M,FERNHOLZ H H,MONKEWIT P A.An experi-mentalinvestigationofathree-dimensional turbulent boundary layer in an'S'-shaped duct[J].Journal of fluid mechanics,1999,393:175-213.

[20]LEFANTZI S,KNIGHT D D.Automated design optimization of a three-dimensional S-shaped subsonic diffuser[J].Journal of propulsion and power,2002,18 (4):913-921.

（編輯：馬杰）

Numerical investigation on characteristics of shock train in S-shaped isolation section in scramjet engine

AN Bin,FAN Xiaoqiang,LI Tengji,XIONG Bing
（Key Laboratory on Scramjet Technology,National University of Defense Technology, Changsha 410073,China）

For the investigation of the influence of S-shaped curvature pattern on flow field structure and performance parameter of isolation section when the incoming flow Mach number is 2.0, a numerical simulation has been applied to three types of S-shaped isolation sections with different bending patterns and straight isolation section under various boundary conditions.The results indicate that,in the aspect of flow fieldstructure,the intersection and reflection of oblique shock wave and expansion wave appear at the corner near the entrance of the S-shaped isolation section,and the separation regions of upper and lower walls become large and small alternately;in the aspect of anti-backpressure performance,the performance of centrosymmetric isolation section and the isolation section with sharp turn in its rear part is little worse than that of the straight isolation section,and theperformance ofthe isolation section with sharp turn in its front part is almost same as that of the straight isolation section;in the aspect of total pressure recovery capability,the capability of the isolation section with sharp turn in its front part is best when backpressure is relatively high,but there is an obvious oscillation in the flow field and its total pressure recovery capability is worst at lower backpressure.Therefore,the isolation section with sharp turn in its front part is recommended for high backpressure condition,and the other two kinds of S-shaped isolation sections are suitable for lower backpressure condition.Moreover,the inlet boundary thickness has limited effect on flow field structure and performance ofthe S-shaped isolation sections.

S-shaped isolation section;bending pattern;flow field structure;numerical simulation

V211.3-34

A

1672-9374(2016)04-0047-06

2015-11-03；

2016-04-31

國家自然科學基金（11372347）

安彬（1992—），男，碩士，研究領(lǐng)域為高超聲速推進技術(shù)