（力学专业论文）二维超声速空气引射器理论与实验研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 论文以二维超声速空气引射器为研究对象，从超声速空气引射器设计理论、 数值仿真和实验研究三方面展开。 首先，研究了超声速空气引射器的一维设计理论，建立了优化引射器的计算 流程图，发现小引射系数和高马赫数是高增压比空气引射器的理想选择。 然后，对实验模型进行了数值仿真，仿真结果表明：在引射器启动的前提下， 引射总压、引射马赫数和入口面积比是影响盲腔压力的主要因素；减小收缩比和 增加长径比是改善引射性能的有效手段；“超超”的引射方式在混合性能上优于“亚 超”的引射方式。 最后，采用纹影与压力测量相结合的方法，对单级和两级超声速空气引射器 进行了实验研究，实验的主要成果有： 1 、给出了因总压不足而导致引射器无法启动的判据。 2 、验证了数值仿真流场结构的正确性。 3 、得到了“超超”引射条件下的流场结构。 4 、分析了实现“超超”引射方式的压力匹配条件。 本文取得的一些结论，对于超声速空气引射器的工程应用和机理研究都具有 一定的参考价值。 主题词：超声速引射器；高增压比；数值仿真；纹影；启动特性；压力匹配 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g n i n gt h e o r y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n w e r ep e r f o r m e dt os t u d yt h et w o - d i m e n s i o n a ls u p e r s o n i ca i re j e c t o ri nt h i sp a p e r f i r s t l y ，o n e d i m e n s i o n a ld e s i g n i n gt h e o r yo fs u p e r s o n i ca i re j e c t o rw a ss t u d i e d a n dt h ec a l c u l a t e df l o wp r o c e s sc h a r tw a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t sp r o v e dt h a ts m a l l e j e c t e dn u m b e ra n dh i g hm a c h n u m b e rw e r et h eo p t i m a lc h o i c ef o rh i g hc o m p r e s s i o n r a t i oa i re j e c t o r t h e n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa p p l i e dt oe x p e r i m e n t a lm o d e l s t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a te j e c t i n gt o t a l p r e s s u r e ，e j e c t i n gm a t h n u m b e ra n d e n t r a n c ea r e ar a t i ow e r ek e yf a c t o r st h a ti n f l u e n c e dt h ep r e s s u r eo fb l i n dc a v i t yi n s t a r t i n gs t a t u s ，m i n i m i z i n gc o n t r a c t i o nr a t i oa n di n c r e a s i n gt h er a t i oo ft h es h r o u d l e n g t h d i a m e t e rw e r ee f f e c t i v em e a n st oi m p r o v ee j e c t o rp e r f o r m a n c e ，s u p e r s o n i c s u p e r s o n i ce j e c t o rw a ss u p e r i o rt os u b s o n i c - s u p e r s o n i ce j e c t o ri nm i x i n gp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，s c h l i e r e nt e c h n i q u ea n dp r e s s u r em e a s u r e m e n tw e r ec o m b i n e dt os t u d y t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fo n es t a g ea n dt w os t a g es u p e r s o n i ca i re j e c t o r s t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eb a s e du p o nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ： 1 t h ec r i t e r i o nw a sp r o p o s e df o rt h ec o n d i t i o nt h a tt h et o t a lp r e s s u r ei st o ol o wt o s t a r t 2 i tw a ss h o w e dt h a tt h ef l o wf i e l do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc o r r e c tp r o v e db y t h es c h l i e r e np h o t o g r a p h s 3 f l o wf i l e l d so fs u p e r s o n i c s u p e r s o n i ce j e c t i n g s t y l ew e r ef o u n di n t h e e x p e r i m e n t sb yt h es c h l i e r e np h o t o g r a p h s 4 p r e s s u r em a t c h i n gc o n d i t i o n so fa t t a i n i n gs u p e r s o n i c s u p e r s o n i ce j e c t i n gm e t h o d w e r ea n a l y s e d t h e s ec o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rw e r em e a n i n g f u la n dh e l p f u lt ot h ea p p l i c a t i o n s a n db a s i cs t u d i e so fs u p e r s o n i ca i re j e c t o r k e yw o r d s ：s u p e r s o n i ce j e c t o r ；h i g hc o m p r e s s i o nr a t i o ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； s c h l i e r e n ；s t a r tp e r f o r m a n c e ；p r e s s u r em a t c h i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 彳 a 、b 、c c c p e 七 m a ， 刀 p r r 丁 t 材、1 ，、w x 、y 、z 符号说明 面积 一元二次方程系数 二次流与一次流定压比热之比 定压比热 压比 导热系数 马赫数 流量 引射系数 压力 气体常数 通用气体常数 温度 时间 速度 笛卡尔坐标 希腊符号 面积比 引射喷管膨胀系数 增压比 收缩比 亚扩段出口面积与第二喉道面积之比 速度系数 比热比 分子量、粘性系数 二次流总温与一次流总温之比 密度 总压恢复系数 二次方程判别式 第i i i 页 口厶 e 沙a y 础0 d 臼a 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 下标 总值 一次流出口截面、一级引射器、第一个 二次流出口截面、二级引射器、第二个 混合室出口截面、第三个 扩散段出口截面、第四个 外界环境 盲腔 临界参数 f i r s t 混合室 极大值 极小值 喷管 s e c o n d 激波 亚扩段 注：除了个别符号在具体的章节中有具体的说明外，其余均参考此符号说明 第i v 页 穆 k 1 忙 o 。2 3 4咖c仃厂所i以s舭舶 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 湍流两方程模型中的模型常数2 0 表3 2 不同的引射总压岛。时，所对应的盲腔压力和最大马赫数2 9 表4 1 p o 。和喷管构型不变时，一、二次流的流动状态随昂：的变化情况6 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 超声速引射器原理图2 图1 2 超声速引射器分类结构图3 图1 3 不同引射方式下，引射器喷管构型( 阴影部分表示引射气流截面) 3 图1 4 论文研究思路和内容6 图2 1 引射器示意图9 图2 2 优化引射器流程图1 5 图2 3 在基本的输入参数下，矽、s 、既随五的变化曲线1 6 图2 4 其他输入参数不变的情况下，矽、占、瓦随讹的变化曲线1 7 图2 5 不同的引射系数刀条件下，g 随m a z 变化情况1 8 图3 1 模型网格布局的一部分2 1 图3 2 引射喷嘴的流场结构2 2 图3 3 引射喷嘴出口总压对比图2 2 图3 4 引射喷嘴出口马赫数对比图2 2 图3 5 引射管道压力分布图2 3 图3 6 引射管道密度分布图2 3 图3 7 引射管道马赫数分布图2 3 图3 8 引射管道轴线压强分布2 3 图3 9 引射管道壁面压强分布2 3 图3 10 盲腔与喷嘴附近的流线图2 4 图3 1l 不同收缩比时的压力分布图2 5 图3 1 2 不同收缩比时，第二喉道入口的马赫数分布和静压分布2 6 图3 1 3 不同长径比时，引射器压力的分布图2 7 图3 1 4 不同长径比时，引射器第二喉道后半部分的总压和速度分布曲线2 7 图3 1 5 不同面积比时的压力分布图2 8 图3 1 6 不同的面积比时，第二喉道入口处的马赫数分布曲线2 8 图3 1 7 不同引射总压时，引射器压力的分布图2 9 图3 1 8 不同引射马赫数时，引射器管道内的压力分布图3 0 图3 1 9 不同的引射马赫数下，第二喉道入口截面的马赫数分布和压强分布3 1 图3 2 0 第二喉道出口截面总压分布曲线3 1 图3 2 1 、朋瓦。随引射马赫数的变换曲线3 2 图3 2 2 不同反压时，引射器流场的压力分布图3 3 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 2 3 不同引射系数n 时，二维超声速引射器流场的马赫数分布一3 5 图3 2 4 在咒：= 4 0 5 3 i , ：p a 和= 5 0 6 6 k p a 条件下，沿混合室出口截面和第二喉道 出口截面径向，混合气流压强、马赫数和总压的分布曲线。3 7 图3 2 5 混合室最大虬随二次流总压的变化曲线3 7 图4 1 两级超声速空气引射器实验设备及其供气系统示意图4 0 图4 2 引射器实验台的实物图41 图4 3 通用自动测试系统组成示意图4 1 图4 4 通用自动测量系统实物图4 2 图4 5 压力扫描阀实物图4 2 图4 6p h o t r o nf a s t c a m u l t i m aa p x 高速摄影仪示意图4 3 图4 7 碘钨灯光源4 4 图4 8 纹影系统光路图4 4 图4 9 纹影系统实物图4 4 图4 1 0 收缩比过小导致引射器不启动时，引射器压力的变化规律4 6 图4 1 1 收缩比过小导致引射器不启动时引射器混合室内的纹影图4 7 图4 1 2 不同引射总压状况下，引射器壁面的压力分布图4 7 图4 1 3 第二喉道收缩比过小，而导致引射器不启动时、随引射器一次流总压 只。的变化曲线4 8 图4 1 4 启动过程中，只、己和岛随时间的变化曲线( 全程图) 4 9 图4 15 不同的一次流总压r 。，对引射器壁面压力的影响4 9 图4 1 6 在收缩比足够大的情况下，、随引射器一次流总压只的变化曲线5 0 图4 1 7 临界启动压力下，引射器压力的变化曲线5 3 图4 1 8 临界启动压力下，引射器启动过程纹影图5 5 图4 1 9 在启动压力大于临界启动压力时，、足、己、足随时间的变化曲线5 6 图4 2 0 引射器内流场的实验结果与仿真结果5 7 图4 2 1 入射斜激波与湍流边界层的相互作用图5 8 图4 2 2 不同的启动压力所对应的引射器壁面的压力分布曲线。5 8 图4 2 3 只，- 2 8 m p a 时，引射器第二喉道后段纹影图5 9 图4 2 4 两级引射器示意图5 9 图4 2 5 只o l = 2 7 m p a 时，不同的只o l 所对应的压力曲线6 1 图4 2 6 两级引射器一、二级混合室内的压力随时间的变化曲线6 2 图4 2 7 两股超声速气流的耦合过程6 5 图4 2 8 “超超”引射内部流场示意图6 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 2 9 只。对壁面压力的变化6 6 图4 3 0 盲腔压力只随尸，m 的变化曲线6 6 图4 3 1 “超超”引射方式的流场示意图6 7 图4 3 2 引射器壁面压力n 随的变化曲线6 9 图4 3 3r = o 0 3 时，引射管道内的纹影图片6 9 图4 3 4 甩= o 2 2 时，引射管道内的纹影图片6 9 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：三维超重速空氢曼i 射墨堡诠曼塞验珏究 学位论文作者签名：墨选迭日期：刎年j 月彳日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：三维壑直逮空氢曼l 挝墨堡途盏塞验珏窥 学位论文作者签名：墨选毽。 储舯刻雠：爷 日期：乃d 彦年，f 月衫日 日期：肋硝年1 1 月“日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 超声速引射器是一种没有运动部件的流体动力学泵，也是一种主、次流的同 向流动混合器。高速射流通过湍流对流、激波等作用，把主流的质量、动量和能 量传递给混合管道内的流体，把低能流体排出管道，使得管道入口保持较低的压 力，为二次流的进入创造条件，因此超声速引射器可以作为一种动力传递装置， 而不需要额外的运动部件。另外，超声速引射器具有结构简单、体积小、质量轻、 反应快速、机动灵活等优点，使它在航空航天、军事和国防等领域有着良好的应 用前景。 超声速引射器在航空航天领域首先用于建造火箭发动机高空试车台真空系 统。二十世纪五、六十年代，为了建造高性能的火箭发动机高空试车台，阿诺德 工程研究中心进行了大量的超声速引射器实验研究工作，对中心引射型超声速引 射器的启动特性和抽真空能力做了深入研究【l 羽。进入七八十年代，超声速引射器 在火箭冲压【7 - 9 】、推力矢量放大【1o 】【1 1 1 、压力恢复【1 2 】【1 3 】、超燃冲压发动机地面试验系 统的燃气引射系统【1 4 】引射式跨声速风洞【1 5 1 7 】等领域得到了广泛的应用。 目前，对超声速引射器的试验研究工作大多数集中在其工作参数和结构参数 对性能影响这样偏重于工程应用研究上，而关于引射器内部具体的流场结构的研 究则很少，仅有几篇文献可供参考【1 8 2 l 】。而对引射器内部流场结构的研究，有助 于加深对引射机理的认识，从而为引射器的研究和应用提供有力的理论支持。本 文正是以研究引射器内部的流场结构为出发点，采用了数值仿真与实验研究相结 合的方法，定性地研究了超声速引射器启动和正常运行时的流场变化特点，揭示 了超声速引射器流场在不同工作状态下的变化规律。 1 2 超声速引射器概述 1 2 1 超声速引射器的原理及组成 超声速引射器( s u p e r s o n i ce j e c t o r ) 又称射流泵( j e tp u m p ) ，它是一种超声速 气体射流技术。如图1 1 所示。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 超声速引射器原理图 高压引射工质通过超声速引射喷管膨胀形成高速低压引射气流进入引射管 道，同时低压低动能的被引射气流通过引射管道的入口进入引射管道混合室；两 股气流在引射管道混合室内通过分子扩散、湍流脉动、气流漩涡和激波等作用进 行充分混合，引射气流将动能传递给被引射气流，在混合室出口获得高速低压混 合气流；接着，混合气流通过扩压段减速增压，将动能转变为压力势能，最后以 较高的静压( 环境压力) 排放入周围环境。超声速引射器气体流动的基本过程包 括：高压引射工质快速膨胀形成超声速引射气流、引射气流与二次流在引射混合 室内充分混合、混合气流减速增压，每一个过程对引射器正常工作都十分重要， 前一过程完成质量的好坏对后面的流动过程将产生直接影响，而一旦后面的流动 过程组织不好，对前面的流动过程也将产生影响，而且不同的流动过程对引射器 的设计要求不同，甚至相互矛盾，超声速引射器设计必须妥善处理好整个流动过 程，使系统整体性能达到最优。 超声速引射器的基本组成包括：超声速引射喷管、二次流通道、引射混合室 和扩压器。超声速引射喷管使高压工质膨胀获得超声速引射气流，根据设计方案 的不同引射喷管可以采取不同的构型：中心引射喷管、环形引射喷管和分布多点 式引射喷管，但引射喷管始终是超声速引射器负荷最重，工作环境最恶劣的部分， 对其制造材料、设计和加工等提出了更高的要求；二次流的入口通道是提供被引 射气流进入混合室的通道，它的参数和构型由超声速引射器的引射方式和一、二 次流参数设计确定；混合室是气流混合并进行动量和能量传递的场所，混合室气 流入口条件和型面设计决定了混合室内的混合规律，混合室的型面设计对整个引 射器系统设计的成功与否起着关键性的作用，同时也是难于精确计算、经验性最 强的部分；基于不同的设计思想，可以采用多种型面的混合室，最常用的是等截 面圆筒混合室和截面收缩的锥型混合室。 一般说来，从混合室出来的气流仍为低压超声速或亚声速气流，为了达到增 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 压的目的，混合室后面应接扩压器。如果混合气流已是亚声速气流，混合室后接 一段面积扩张的亚声速扩压管道即可，等截面圆筒型混合室引射器的扩压器就是 采用这种形式；如果混合气体仍为超声速流，混合室后通常先接一段等截面超声 速扩压段，再接一段面积扩张的亚声速扩压段，这种扩压器一般用于采用锥型混 合室的超声速引射器，此时等截面段构成超声速引射器的第二喉道；扩压段的作 用一是对来流进行减速增压，二是将混合室和出口环境进行隔离，有利于气体在 混合室内充分混合。扩压器设计的好坏对超声速引射器的效率和性能有重大影响。 1 2 2 超声速引射器分类 目前关于超声速引射器还没有规定一个通用的分类方法，但根据不同的分类 标准有不同的分类方法。根据引射喷管形式的不同可分为：单喷管中心型超声速 引射器、环型缝隙超声速引射器和分布式多点引射超声速引射器等形式，其它各 种引射器在一定程度上可以看作是他们的变异形式；根据引射工质的不同可分为： 超声速空气引射器、超声速蒸汽引射器和超声速燃气引射器；根据混合室型面的 不同可分为：等截面( 圆筒形) 混合室超声速引射器和变截面( 锥型) 混合室超 声速引射器。图1 2 清楚的表示了超声速引射器的分类情况 超声速引射器 根据引射喷管不同ll 根据引射工质不同根据混合室型面不同 剥隰li 鬻l 莴l 瞄i 隰i 隧剽隧蓦霉 图1 2 超声速引射器分类结构图 按照引射喷管的不同对超声速引射器进行分类是一种比较有意义的分类方 法。图1 3 是各种不同的引射喷管布置方案下，混合室入口截面的气流分布。 o 中心引射 环型引射 分布式多点引射 图1 3 不同引射方式下，引射器喷管构型( 阴影部分表示引射气流截面) 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 单喷管中心型超声速引射器的引射气流沿管道中心喷入混合室，二次流沿管 道四周流入混合室，引射喷管采用常规的火箭发动机超声速锥型喷管或其他型面 喷管，由于引射管道壁面附近为低速被引射气流，摩擦损失较小，但达到气流充 分混合所需的混合室较长，具有尺寸大、效率低和噪音高等缺点。 环型缝隙引射器引射气流在四周，二次流在中心，引射喷管为环型喷管，其 特点是引射管道壁面附近为高速引射气流，因而，混合室单位长度上的摩擦损失 较大，但气流混合所需的混合室较短。在动态品质方面，环型缝隙引射器产生的 噪声声压级较小，这是由于环型缝隙很小，喷流及其产生的激波尺寸也较小，易 于衰减。环型超声速引射方式与其他引射方式相比，其最大优点在于引射通道中 没有额外的突出物，可以在被引射气流具有腐蚀性、温度较高、夹带固体杂质等 情况下使用，这是其他引射方式不可比拟的l l 引。 分布式多点引射方式，在混合室入口均匀设置多个较小的超声速引射喷管代 替尺寸较大的引射喷管，高压工质流过这些喷管形成多股超声速引射气流喷入混 合室，二次流经过精心设计的喷管间的间隙流入混合室，由于引射气流和二次流 的横向特征尺寸减小，增大了引射气流和被引射气流的接触面积，加强了两股气 流的掺混过程，气流混合所需的混合室的长度大大减小，混合室出口气流更均匀， 因摩擦和混合不均带来的损失大大降低。同时，由于喷管尺寸的减小，喷流及其 产生的激波尺度和能量也小得多，因此，多喷管引射器的噪声声压级也较小，峰 频较高，易于衰减。因此在三种引射方式中其引射效率最高。但是多点引射的引 射喷管和二次流通道的结构复杂，设计、加工难度增大，当引射气流和被引射气 流均为高温燃气时，引射喷嘴的设计更难于实现，而且多个引射喷管侵入被引射 气流通道内，会给被引射气流带来较大的能量损失，致使引射效率下降。根据不 同设计方案和应用条件，这三种引射方式在工程上均可采用，采用其中任何一种 引射方式时，混合室既可采用等截面混合室也可采用变截面混合室，引射工质既 可采用冷空气，也可采用饱和或过热水蒸气，还可采用高温燃气。一般来说，变 截面超声速引射器的引射能力和引射效率高于等截面混合室超声速引射器；在同 样引射器几何构型不变的情况下，高温燃气的引射能力和引射效率最高，水蒸气 次之，冷空气最低。燃气温度越高，超声速引射器的引射效率越高，但高温高压 工作环境对超声速引射喷嘴的材料、结构设计和加工工艺提出了更高的要求，生 产成本也大大增加。至于实际工程应用中，具体选用何种型式的引射器，要从引 射器的用途、性能、加工成本等多个方面具体考虑，找出最佳的引射器形式。 1 2 _ 3 引射器研究概况 引射器自从发明以来，已经有一百年的历史，广泛应用于多个领域。早期的 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 引射器研究尚未形成设计理论，主要通过实验和修正的方法进行引射器性能的估 计和主要部件的设计。2 0 世纪3 0 年代后期，德国的f l u g e l 提出第一个公认的引射 器设计方法，他将连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程应用于两股气流混合 的一维分析方法中，并分别考虑了在等压和等面积下混合的过程，但给出的结果 比较贫乏【翻。其后k e e n a n 和n e u m a n n 采用一维的三大守恒方程对最简单的无扩 散段进行了分析，并考虑了一、二次流在常压下进行混合和两股气流在等截面管 道中混合的情况。他们的研究成果第一次对引射器给出了完整的理论分析和实验 研究，奠定了引射器一维设计理论的基础四1 1 2 4 1 。7 0 年代以后，计算机技术的发展， 极大地促进了引射器研究工作的进展。对不同应用场合的引射器，进行了性能优 化的研究，提高了引射性能【2 5 1 1 2 q ；开展了各种型式引射器的研究，如单喷嘴中心 引射器、环状缝隙引射器和分布式多点引射器等【2 r 1 1 2 8 】；并且对引射器的串联和并 联也进行了研烈1 3 】【2 9 棚】；随着引射器大量地应用于航空航天领域，产生了增强混 合喷嘴的新概念，如非定常引射喷嘴、锯齿喷嘴、花瓣喷嘴、开槽喷嘴等【3 2 枷】， 这些都极大地促进了引射器的理论分析工作和实践经验。9 0 年代以来，计算机、 计算流体力学和流场显示技术的发展，丰富了引射器的研究手段，用数值计算的 方法，通过求解n s 方程可以较好地模拟引射器内部流场流动过程，从而使我们 对引射器的内部流动有了直观的认识；把流场显示技术应用于引射器的实验研究， 将引射器内部的流动结构拍摄下来，并与计算结果进行对比，以验证c f d 模型， 进一步加深了我们对引射器的内部流动结构的理解【1 8 】【1 9 】【2 。 1 2 4 国内相关研究 南京航空航天大学对波瓣引射器和多喷管引射器【3 2 - 3 9 】进行了深入的研究，研 究目的主要在于增强一、二次流之间的混合，增压比均不高。王锁芳等人【4 2 】【4 3 】针 对用于发动机进气防砂的多喷管超声速引射器进行了设计和实验，研究了各种设 计参数对引射器性能的影响。张垄元等 4 4 1 4 5 】对主流倾斜的引射器进行了实验研究。 北京航空航天大学的凌云沛、张华等人【4 6 】【4 7 】对环型引射器和多喷管引射器进 行了实验研究，得到了一些有意义的结果；王广振，吴寿生【4 8 】对混合管面积和位 置对排气引射器的性能进行研究。 西北工业大学廖达雄等人 4 9 1 1 5 0 】将多喷管引射方式与等压混合引射器结合起 来，并采用一维控制体分析方法对引射器进行了分析设计；在中国空气动力研究 所与发展中心的两级空气引射压力恢复系统小型化实验室中对多喷管超声速引射 器进行了实验研究，验证了多喷管引射方式应用于等压混合引射器的可行性。 9 0 年代初，中国空气动力实验基地在2 4 m 跨声速风洞的设计建设中，对引射 器做了广泛深入的研究【5 1 巧3 1 ，对等截面混合引射器的优化设计进行了研究，开展 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学1 1 i ) = 论文 了环状缝隙引射器和多喷管引射器的性能对比实验，使2 4 m 跨声速风洞引射器的 性能达到了国际先进水平，并先后完成了用于载人航天发射的“长征”二号f 型 运载火箭等型号的实验，为航天事业做出了贡献。 国防科大开展了大量关于环型引射器的数值仿真研究阱5 印和实验研究5 7 】【5 8 】， 并采用燃气引射器作为真空排气系统建立了连续式高焓自由射流实验系统；之后， 又开展了多喷嘴超声速引射器的实验研究【5 9 规】。 其他相关研究还包括：大连理工李海军等人【6 3 彤】对蒸汽喷射器内流动进行数 值模拟；沈阳航空发动机研究所【6 6 1 1 6 7 】采用实验的方法研究了常压、低速排气引射 条件下波瓣引射喷管的气动性能；大连舰艇与大连理工共同对多级引射器技术进 行了实验研究，得到了一些有工程价值的结论1 6 引。 1 3 论文的思路和内容 本文以二维的超声速空气引射器为模型，以研究超声速空气引射器的流场变 化规律为目的，采用理论分析、数值计算和实验相结合的研究方法，开展了超声 速空气引射器的机理研究工作。图1 4 给出了本文的研究思路和内容。 图1 4 论文研究思路和内容 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 全文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章，绪论。介绍了开展论文工作的研究背景和意义，并对超声速引射器 的基本原理和分类等进行了简要的介绍，给出了本文的研究思路和内容。 第二章，超声速空气引射器一维设计理论。采用一维控制体分析的方法对超 声速空气引射器的实验模型进行了分析，建立计算引射器性能参数的流程图，探 讨不同的设计参数对超声速空气引射器性能的影响。 第三章，二维超声速空气引射器流场数值计算。采用计算流体力学方法数值 模拟求解二维超声速空气引射器流场，研究不同的几何参数和流动参数对超声速 空气引射器的流场结构和性能的影响，分析不同的二次流情况下，引射器流场结 构的变化情况。 第四章，二维超声空气速引射器实验研究。主要介绍了超声速引射器实验台 和各种实验模型，并对实验过程中所采用的压力扫描阀、测量系统、纹影系统等 进行了简要介绍；接着运用纹影观察和压力分析相结合的手段，对单级和两级的 引射器的启动特性和流动特性进行了研究，揭示了不同条件下超声速空气引射器 内部流场的变化规律。 最后总结论文的主要工作和取得的结论。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章超声速空气引射器一维设计理论 超声速引射器是一个相互联系、相互影响的工作系统。在进行超声速引射器 设计时，设计参数多，各参数对引射器性能都有影响，再加上超声速引射器管道 内流场流动过程十分复杂，不可能求得流场精确的解析解，因此要细致地研究超 声速引射器流场，必须依靠先进的实验手段和强大的数值计算能力。然而，在工 程实践中，采用大量实验或大规模数值计算来进行引射器参数选择和优化设计是 行不通的。因此，人们往往对引射器流场进行大量简化，不考虑一、二次流之间 的相互作用的具体过程，运用气体动力学中的质量、动量和能量守恒方程，推导 出一维引射器理论公式，根据一维理论公式进行参数选择和优化设计，再结合工 程经验对一维理论公式进行适当的修正。这种方法具有简单、直接、高效的特点， 可以较好地满足实际工程设计的要求。在进行高超声速引射器一维分析时，采用 了下面一系列假设： 引射气流和被引射气流均为理想气体，且他们的物性参数不变( y ，c 。，r ) ； 在混合室入口，引射气流和被引射气流各以一定的速度水平进入混合室， 入口气流均为满流，且速度分布均匀，两股气流静压匹配； 不考虑混合室内具体的混合过程，气流在混合过程中不发生化学变化； 假定气流到达混合室出口时已完全混合，混合气流为理想气体，其物性参 数由混合室入口参数确定； 引射器中流动是绝热的，没有通过壁面进行热交换； 忽略壁面上的摩擦损失，对混合室进行动量积分时假定沿混合室壁面的压 强呈线性分布，且同一截面上的压强相同； 扩散段入口气流既可能是超声速气流，也可能是亚声速气流，当入口为超声 速气流时，在扩散段入口通过一道正激波变成亚声速气流，接着在扩散段进一步 减速增压；当混合室出口已是亚声速气流时，直接通过扩散段减速增压； 引射器出口压力等于环境压力。 一般说来，这些假设与实际情况比较接近，能大大简化理论推导过程，得出 的结论有一定的可信度，反映了超声速引射器的设计规律，加上适当的工程实验 修正后可以用于指导超声速引射器的设计。 2 1 超声速引射器一维理论公式推导 下图以实验模型为依据，给出了环型超声速空气引射器的结构示意图。其各 截面参数如下，具体意义可参考符号说明表。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 混合室入口一次流参数：p o ，死。，# ，五，k ， ，以，“，4 ； 混合室入口二次流参数：最：，瓦：，罡，五，砭，五，托，段，4 ； 第二喉道出口混合气流参数：p o ，瓦，只，五，坞，乃，儿，鸬，鸣； 扩散段出口参数： 昂，毛，只，五，巧，五，以，纵，4 。 一、二次流通道混合室第二喉道 扩压段 图2 1 引射器示意图 采用一维方法对引射器进行分析时，其控制体主要分为混合室部分和扩压段 部分。混合室部分取截面1 、2 和3 截面之间的部分，如图2 1 虚线所示。在混合 室中，一、二次流进行充分的掺混，涉及到压力匹配、超声速剪切层、激波相交 和反射以及激波与边界层的作用等问题，流动十分复杂。在分析过程中，不考虑 上述问题，只是认为在混合室内所有工质遵循三大守恒定律。下面给出了常用的 气动函数6 9 1 和各种参数的定义，便于公式的推导和化简。 常用的气动函数： 栅，2 百p2 ( 一筹寸1 双幻，= 丢小磊以 螂= 丢= ( 一筹允2 卜幻，= ( 孚) 力 马赫数m a 与速度系数旯的互换关系式为： 五= 痒i 硒，施： 一维理想气体流量关系式： 肌川脚，筹鲋其中，郴：( 掣) 揣( 夤) ；是与气体比热和分 子量有关的常数，r = r 为通用气体常数。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 定义，引射系数：力：鲁，二次流与一次流定压比热之比：c ：堡c r ，总温 ，z _ 比红t i o _ 塑l 面砒：口= 焘，收缩比：= 焘 引射喷管膨胀度：= 罟 2 1 1 混合段控制方程 ：c p l + n c p 2 两边同除以，可得：堡：1 + n o 1 1 + 刀 混合气流的气体常数：马：r 1 _ + n r , 2 乃2 了= = 圪 舭融一氰马：攀善帮y l ( 2 - 1 ) 3 圪l + ，2 乃一1 1 1 慨臼= ( 1 + 刀，) 鬲c g z 0 3 ( 2 - 2 ) 鱼：1 + n c o 在混合室入口，引射气流和被引射气流遵循关系式= 詈，代入常用气体函 则总压比：露。：孚：掣 ( 2 3 ) 异2n - ( a , ，乃) 、 7 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 代入引射系数肛：堕，可得：m 3 ：1 + 刀，堕：1 + 一1 ， 础巾篑o lm ) ( 1 删“( ) 筹0 3 鹏脚 吖v 上 耻昂- 粼嬲摩州詈 整理后口】得 一 ( 2 。5 ) 咤p 0 3 = 磊粼嬲屠1 号“k ( 飓，乃) g ( 五，儿) + 刀c 、 。矽 将上式和流量关系式应用于引射系数可得： 以：鲁：一：一专半p6k(r k ( r ， 托：! 蔓： 型! 丝 ：墨! 竺21 丝2 垡! 生! 型圣坚f 2 1 “铂 ，以) 警鼋( 五，乃) ，九) g ( ，乃) 瓦扫口 v7 引射气流和被引射气流均为理想气体，则 ：且冠：且鱼 ：且足：j l 鱼 舭c = 器= 丙7 2 百) 1 - 1 瓦6 2 1 1 3 混合段动量守恒方程 忽略壁面粘性摩擦的影响，对混合室控制体应用动量守恒方程得： ，殇屹一( 鸭m + m 2 v 2 ) = ( 日4 + 4 ) 一b 呜+ jp 凼 根据假设混合室内的静压沿轴线成线性分布，则有 ，硒：华( 鸣一4 4 ) 将上式代入动量方程，整理可得： 鸭吃一( m l v l + m 2 v 2 ) - 等+ 了1 - a 了l - p 卜一等b 4 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 瞄屠鬲 嘲屠面 驴乃1 f 乃2 7 十 3 r 3 t 0 3 驴f 乃十l 将流量公式和速度公式代入动量方程，同时两边除以4 瓦7 0 , ，整理得 +j曙+了1-a71-pk(ri 2 a - 而热筹1n c ( 刀) 等 ，乃) g ( ，乃) l 口 jk ( 坞，乃) g ( 乃，儿) f + 、7 2 ( 2 - 7 ) 上式为关于矽的一元二次方程，该方程为 口矽2 + 6 矽+ c = o 其中， ao k ( r l ，以) g ( 丑，乃) 口 一赢黑筹n c ”，z )k ( 马，乃) g ( 乃，乃) 1 + 、 7 所以，此一1 次方程的判别式 ：b 2 4 卯0 此方程有两个相异实根，分别为 i 识= - b + 呜n b _ 2 - 4 a c 。 【唬=t-b-、b2-4ac抓驴 0 |，w 一j v e 一_ 一 “h 酬 图41 2 不同引射总压状况下引射器壁面的压力分布囤 当引射器第二喉道收缩比# 过小导致引射器不启动后，我们考虑增加一次流的 总压能否使引射器启动? 图4 1 2 给出了不同一次流总压情况下壁面静压分布。 我们可以看到，当一次流的总压从1 6 m p a 增加到35 m p a 时，混合室和第二 喉道壁面静压分布十分相似，只是一次流总压越高，气流在混合室内的堆积效应 就越明显，壁面静压也就相应越高：亚扩段的壁面静压是一个由低到高的逐步增 加的过程，由此可以判断，在第二喉道的流动为亚声速流动。 第4 7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 相反我们降低一次流的总压，得到了不同的压力壁面曲线和相似纹影图片， 在这种情况下引射器仍然没有启动，造成这种现象的原因与压力过高的状况是不 同的，由图4 1 2 中只= 1 3 m p a 的压力曲线可以看出，壁面曲线相对平滑，在混合 室内没有出现堆积效应，整个引射器内的流动处于亚声速流动，造成这种结果的 原因是引射喷嘴的压比不够高，一次流出口的静压不足以克服混合室内的静压， 一次流无法完全膨胀，超声速流场无法建立。 图4 1 3 给出了不同的启动压力对喷嘴出口静压和盲腔压力的影响。 x 。多 杉。 奋 t j_ e 、f ， ； ： 衫 ： p o j ( m p a ) 图4 。1 3 第二喉道收缩比过小，而导致引射器不启动时只、随引射器一次流总压异1 的变化 曲线 由上图可知，在一次流总压e o ， 1 3 m p a 的情况下，引射器的盲腔压力和喷 嘴的出口静压p 随着一次流总压的增大而不断增大，基本呈线性关系，并且盲腔 压力始终大于喷嘴出口静压。 因此，对于第二喉道收缩比过小导致引射器不启动的情形，改变引射器的一 次流总压是没有意义的，随之改变的仅仅是在混合室内的雍塞程度。此时，可以 通过调节引射器结构以降低一次流在混合室中的总压损失或者直接增加第二喉道 的面积从而增加第二喉道的收缩比均是可行的方法。 4 2 1 2 当一次流总压不足导致引射器不启动工作过程 为了研究一次流总压不足而导致引射不启动的工作过程，把收缩比为0 4 的模 型替换为收缩比为0 6 的模型进行实验。下图给出了一次流总压不足而导致引射器 不启动时引射器压力的变化规律。图4 1 4 给出了出口静压只，盲腔压力只，混合 室的一个测点的压力己，第二喉道入1 ：3 压力b 随时间的变化曲线。 第4 8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 0 0 0 营 遣 芝 耋6 0 4 0 2 0 t e 乃 。霸 r ；蕊 ；觜 耐溺蝴融曲蚓融磷妒晒婶懒 门 霄 w 龄胁，晒 i v i f j 爹 a k 、j 飞 一 、一 t ( m s ) 圈4 1 4 启动过程中，、p o 、只和只，随时间的变化曲线( 全程图) 由上图可知，随着引射器的启动，引射器的盲腔压力和引射喷嘴静压迅速降 低，其值的振荡幅度很小，可以近似认为其压力值为一稳定的值，