非对称喷管过膨胀流场的火花放电式合成射流主动控制研究

本项目研究将新型火花放电式合成射流激励器（SP-SJA）安装在大膨胀比非对称喷管（SERN）的上膨胀面的恰当位置，通过控制附面层分离来改善SERN的过膨胀流场，增大膨胀面压力，从而降低飞行器底阻，改善力矩特性。研究内容包括：采用理论分析、实验（PIV、热线、压力扫描阀、纹影）和CFD相结合的方法，深入研究这种存在着激波/附面层/大尺度分离涡/非定常涡环相互作用的、复杂流场的分离规律、流场结构和气动参数；并在已有的工作基础上，分析SP-SJA各种参数的影响规律，研制成功SP-SJA样件。然后重点从整个系统的角度出发，来进一步研究整个流场中的几何、电学、力学、材料等各种参数之间的耦合影响机理，摸索SP-SJA非定常涡环/激波/附面层等相互之间的影响机制，最终实现利用SP-SJA主动控制SERN的过膨胀超声速流场，为TBCC等先进飞行器的研究奠定必要的技术基础。

通常TBCC等发动机中使用的非对称喷管（SERN）在过膨胀状态下，往往会出现流动分离，对性能影响很大。本项目首先采用理论分析、CFD和实验研究等方法，深入细致地研究了SERN上膨胀面上的流动分离现象与流动分离规律，揭示了过膨胀SERN内复杂流场的流动细节，并对分离点预测、分离激波数值模拟精度等方面进行了重点研究，获得了相关的基准实验数据，提出了表述过膨胀SERN中分离点位置、压力和马赫数三者之间关系的分离准则，基于优化算法改进了SERN喷管分离流计算的湍流模型，提高了分离点位置、分离激波等的模拟精度。特别是发现了过膨胀SERN中存在着不同的分离模式，获得了不同参数对分离模式的影响，以及在起动和关闭过程中不同的分离模式对其气动性能参数的影响规律，发现了在起动和关闭过程中其性能参数的迟滞环效应。研究还发现过膨胀SERN内的流动分离回流区内的流体主要是来自压力较低的喷管排气射流，而不是项目申请之初所认为的压力较高的环境流体，这是我们对过膨胀SERN分离控制研究得到的一个重要认识。这些研究结果大大丰富和提高了对过膨胀SERN内部流动分离现象和流动分离机理的认识，为后续研究奠定了坚实的基础。然后，采用改进的CFD方法对典型火花放电零质量射流激励器（SP-SJA）出口流场进行了计算分析：通过改变SP-SJA的各种影响参数，研究出口直径、腔体体积、输入能量、放电频率等诸多参数的影响，特别是通过非定常计算，获得了连续放电过程中SP-SJA出口射流速度的变化规律，发现与目前普遍研究的单次脉冲放电的结果相比，出口射流速度有较大的下降；设计研制了可以稳定工作的SP-SJA激励器，并对其性能开展了详细的实验研究及数值模拟。最后，在利用SP-SJA控制过膨胀SERN内部的流动分离、提高其气动性能等方面，研究了不同激励器的尺寸、入射角度、安装位置等情况下，SP-SJA与过膨胀SERN内部流动分离流场的相互作用及其影响规律。此外，还建立了基于Isight和Fluent软件的优化平台，可以在较短时间内得到优化设计结果。作为补充，还提出了另外三种改善过膨胀SERN的流动控制方案，并都取得了较好的控制效果。