过膨胀流动分离及分离流场预测研究

Performance degradation is one of the most enormous challenges for combined cycle engines at low Mach number. The performance estimation and flow controlling in over-expanded nozzle are based on the prediction of separation point. However, many complex phenomena occur in over-expanded nozzle and it is difficult to predict the position of separation point in the flow field by theoretical method. Only part of the characters of over-expanded flow field has been considered in existing separation criteria, so the criteria are not universal..From the investigation of the flow field and performance in over-expanded nozzle, it has been found that the various separation pattern and separation pattern transitions make great influence on the separation point, beside the shock wave/ boundary layer interactions and the interaction of separation shock waves. In this project, the key variables will be found in the investigation of shock wave/ boundary layer interactions, the interaction of separation shock waves and the influence of external flow. The flow mechanism of the coupling interactions of separation shock, boundary layer, recirculation zone and external flow will be explained and the separation criteria considering more characters of over-expanded flow field will be concluded.

组合循环发动机在低速条件下性能恶化的问题，是组合循环发动机研制中最具挑战的课题之一。其中，喷管过膨胀工况性能估算、过膨胀流场流动控制等关键技术问题均少不了对分离点位置的预测。然而，过膨胀喷管流场中通常伴随着一系列复杂的流动现象，很难用理论解来预测喷管中过膨胀分离点位置，现有的分离点预测方法也只考虑了部分过膨胀流场特性，通用性较差。.通过对喷管过膨胀流场及喷管性能的研究发现，除了过膨胀流场中激波/边界层相互干扰和分离激波相交、反射作用，喷管中存在的多种流动分离模式、分离模式转换现象，以及喷管外部流动，也会影响分离点位置。本项目将通过喷管中激波/边界层相互干扰规律、喷管中分离激波相互作用特点及外部流体作用影响的研究，总结影响分离点位置的关键变量。再通过风洞试验及数据分析方法，揭示喷管过膨胀流场中分离激波、边界层、回流区、外部流场之间的耦合作用机理，归纳可以反映过膨胀流动特性的分离点预测方法。

组合循环发动机在低速条件下性能恶化的问题，是组合循环发动机研制中最具挑战的课题之一。其中，喷管过膨胀工况性能估算、过膨胀流场流动控制等关键技术问题均少不了对分离流场的特性的深刻认识。通过对喷管过膨胀流场及喷管性能的研究发现，由于过膨胀流场中激波/边界层相互干扰、分离激波相交反射以及喷管外部流动作用，喷管中存在的多种流动分离模式、分离模式转换现象，喷管内的过膨胀流场展现出独特的性质。. 本项目主要开展过膨胀喷管内激波/边界层相互干扰规律，过膨胀喷管内分离激波相交反射现象及分离流场模式转换机理，外部流场对分离点位置、分离激波、分离流场模式的影响机理及规律，喷管过膨胀流场中分离激波、边界层、回流区、外部流场之间的耦合作用机理研究。通过相关试验及数值仿真结果，再现了SERN在起动和关闭过程中的分离模式跳转现象，获得分离模式跳转的动态过程、瞬时响应、及其对喷管性能的影响规律，总结了影响其流动分离模式的关键因素，阐释了不同外流马赫数变化过程对流动分离模式转换现象的作用机理及性能影响。进一步结合理论分析，阐述了过膨胀分离流场中，分离激波、边界层、回流区、外部流场之间的耦合作用机理，实现了对分离流场内激波形状与激波结构的预测；阐述了过膨胀分离模式转换现象的流动机理及转换临界条件，在揭示分离模式转换现象流动机理的同时，掌握分离模式转换准则，实现对过膨胀分离流场及分离模式转换的预测。. 相应的研究成果可以进一步应用于组合循环发动机排气系统低速、低落压比工况的性能改善，为排气系统过膨胀状态的流动控制方法研究奠定基础，为排气系统低落压比工况下的设计以及流动控制方案提供新的思路，有助于我国在组合循环发动机排气系统研制过程中形成自己的技术路线与设计方案。