新型沖壓推進(jìn)系統(tǒng)的波系結(jié)構(gòu)及其MHD控制.pdf

1、新型沖壓推進(jìn)系統(tǒng)，如超燃沖壓發(fā)動機(jī)、斜爆轟波發(fā)動機(jī)與沖壓加速器等，其流場結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且具有高瞬態(tài)特性。由于目前的相關(guān)研究還不充分，因而無法達(dá)到工程應(yīng)用的要求，一系列問題尚需解決，如擴(kuò)大可操控的飛行馬赫數(shù)范圍、強(qiáng)激波對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)氣道的影響等。另一方面，高速流場中，強(qiáng)激波與爆轟波導(dǎo)致研究對象周圍的氣流電離，使得應(yīng)用磁流體(MHD)技術(shù)對強(qiáng)激波與爆轟波的控制和優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)變成可能，相關(guān)研究仍處于初級階段。
　　 本文基于帶化學(xué)反應(yīng)與

2、MHD控制源項的Euler方程，分別采用混合Roe/HLL及WENO計算格式，利用自適應(yīng)加密笛卡爾網(wǎng)格與沉浸邊界法對新型沖壓推進(jìn)系統(tǒng)的波系結(jié)構(gòu)及其MHD控制機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 首先對管內(nèi)爆轟波的誘導(dǎo)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了爆轟波的誘導(dǎo)特性，驗證了所采用數(shù)值方法的有效性，并揭示了弱激波繞射方塊障礙物并在障礙物后方碰撞加速誘導(dǎo)爆轟波的機(jī)理。
　　 數(shù)值模擬了超燃沖壓發(fā)動機(jī)雙楔形進(jìn)氣道流場及其MHD控制過程，計算結(jié)果表明應(yīng)

3、用洛倫茲力可控制進(jìn)氣道上的斜激波，洛倫茲力的方向?qū)HD控制的效果具有重要影響，并且具有合適大小和方向的洛倫茲力可以同時將不同超聲速來流情況下的斜激波恢復(fù)到設(shè)計情況，但其流場情況會稍有不同。
　　 通過對單、雙楔斜爆轟波流場結(jié)構(gòu)及其MHD控制過程的數(shù)值研究，表明，斜爆轟波可分為穩(wěn)定與不穩(wěn)定兩種情況。對于穩(wěn)定斜爆轟波，其波陣面位置基本固定，而不穩(wěn)定斜爆轟波則相反。洛倫茲力可以將不同馬赫數(shù)條件下的穩(wěn)定斜爆轟波恢復(fù)到其設(shè)計位置，但是，

4、對于雙楔，布置在第一道斜劈表面的洛倫茲力無法有效控制第二道斜激波，當(dāng)后楔傾角過大時，斜爆轟波流場將失穩(wěn)。洛倫茲力可使不穩(wěn)定斜爆轟波趨于穩(wěn)定，卻很難控制不穩(wěn)定斜爆轟波恢復(fù)到設(shè)計位置，因此MHD控制的應(yīng)用主要針對穩(wěn)定斜爆轟波陣面。
　　 采用高精度WENO計算格式數(shù)值模擬了沖壓加速器冷態(tài)實驗。通過與相關(guān)實驗結(jié)果對比，表明計算方法很好地描述了沖壓加速器內(nèi)部流場和激波結(jié)構(gòu)，驗證了WENO格式捕捉高速流場結(jié)構(gòu)的有效性，并完整地呈現(xiàn)了彈丸周

5、圍激波的形成與發(fā)展過程及相關(guān)參數(shù)的變化情況，可以對沖壓加速器冷態(tài)實驗給予一定的指導(dǎo)與借鑒，并對接下來的熱壅塞與超爆轟模態(tài)沖壓加速器的研究提供指導(dǎo)。
　　 數(shù)值研究了熱壅塞模態(tài)沖壓加速器內(nèi)的流場情況，研究了預(yù)混氣體反應(yīng)速率、彈丸形狀與速度對沖壓加速器工作狀態(tài)與性能的影響。結(jié)果表明只有速度與反應(yīng)速率相匹配，才能形成熱壅塞模態(tài)流場，合理的彈丸形狀可以使來流速度與預(yù)混氣體反應(yīng)速率相匹配的范圍擴(kuò)大。而且，當(dāng)流場處于熱壅塞模態(tài)，火焰陣面可以

6、穩(wěn)定在船型彈丸肩部后方，并產(chǎn)生最大推力;當(dāng)火焰陣面穩(wěn)定在彈丸底部時，推力受到尾渦脫落的影響產(chǎn)生脈動。
　　 進(jìn)一步研究了超爆轟模態(tài)，沖壓加速器內(nèi)的流場情況，發(fā)現(xiàn)在一定的馬赫數(shù)范圍內(nèi)，斜爆轟波可駐定在彈丸肩部或頭部，且都能產(chǎn)生推力。對于典型的超爆轟模態(tài)（斜爆轟波駐定在彈肩），反應(yīng)速率增加時，彈丸推力增大。對來流馬赫數(shù)過低或過高的流場情況，采用洛倫茲力可擴(kuò)大彈丸在典型超爆轟模態(tài)運(yùn)行的馬赫數(shù)范圍，發(fā)現(xiàn)馬赫數(shù)過低時，洛倫茲力可加速彈丸頭