能够复现畸变来流的超燃冲压发动机燃烧室直连试验台的设计方法研究与验证

A direct-connected wind tunnel with high qualities of good experiment ability, relative low cost and high precision, is very important in the research of flow Mechanics and engineering development of Supersonic Combustion Ramjet (SCRAMJET) engine. The complex, distorted inlet flow field of combustor, which is mainly dominated by the Shock Wave/Boundary Layer Interaction (SWBLI) from the upstream, can hardly be reproduced by the conventional direct-connected wind tunnel. Therefore, the real flow characteristics of a SCRAMJET cannot be modeled exactly. Moreover, it is usually very difficult to start. In this project, the main characteristics, rules and major effects of the distorted flowfield of the different components of the SCRAMJET will be studied via theoretical analysis, numerical simulation and wind tunnel experiment. We hope to find the design method of a new direct-connected wind tunnel, which can exactly reproduce the real distribution of flow characteristics and structure of the SCRAMJET combustor’s inlet under the free jet or flight condition. It can combine the advantages of the direct-connected and free jet experiments, and don’t worry about the unstart of the wind tunnel. By the research, we hope to provide a better experimental setup and conditions for the ground test of SCRAMJET engine.

能够兼顾实验能力、成本和精度的高品质发动机直连实验台，在超燃冲压发动机的流动机理研究和工程研制中具有重要地位。传统的直连试验台难以复现其燃烧室进口由上游激波附面层干扰所主导的复杂畸变流场，从而无法精确模拟燃烧室内的真实流动特性，并且通常存在风洞难以启动的问题。本项目拟将采用理论分析、数值模拟和风洞实验等手段，研究超燃冲压发动机各部件所产生流场畸变的主要特征、规律以及影响因素，掌握能够精确模拟真实情况下超燃冲压发动机燃烧室进口参数分布和流场结构特征，同时不存在启动问题的直连实验台的设计方法，从而获得一种综合了直连试验和自由射流试验优点的、可以复现燃烧室实际进口流场结构和特征参数分布的超燃冲压发动机燃烧室直连试验台的设计技术。为超燃冲压发动机的地面实验研究提供更好的实验设备和条件。

本项目以高超声速飞行器动力系统试验模拟方法研究为背景，发展了基于逆特征线的、畸变发生器的型线反设计方法，研制成功了能够准确复现自由射流实验中超燃冲压发动机内流道畸变流场的新型地面直连设备，并且对其开展了深入细致的研究。.项目工作分为三部分：（1）开展了流动机理研究。分析了超燃冲压发动机内流通道中流场畸变机理及变化规律，总结得到典型参数分布规律，并针对典型畸变流场，提出了基于逆特征线、在给定约束的情况下，新型直连设备的反设计方法。（2）开展了新型直连设备畸变模拟器设计方法的优化及程序实现工作。通过理论分析、数值计算等方法，对程序进行了多次优化与完善，进一步提升了新型直连设备复现模拟的准确性和工程实用性。（3）开展了试验校核工作。以超燃冲压发动机进气道下游典型畸变流场为模拟目标，设计、搭建了新型直连设备畸变模拟器试验台，综合高频响压力扫描阀、高速纹影、BOS、PIV等方法，获得了清晰直观的流动图谱与流场参数，建立了流场全域瞬时、时均、高精度的定量试验数据，验证了设计方法的准确性和可靠性。特别地，通过PIV实验获得了极为丰富的流场信息，其测量结果与数值计算结果吻合良好，主流区误差在1%左右。并且在主流速度达到500m/s~520m/s的情况下，捕捉到了垂直主流方向上5m/s~35m/s的速度变化。同时，尽管非定常测量获得的速度场存在较小的差异，但通过收敛性测试可知，时均速度场单点处的脉动速度比当地速度值小2~3个量级，充分说明了试验结果的精度。通过多种试验、数值结果的交叉对比可知，新型畸变模拟器不仅能够在直连实验台上准确复现自由射流实验中的燃烧室进口流场结构和特征，而且大大降低了试验周期与成本，为后续超燃冲压发动机的相关研究打下了良好的基础，并且该方法已成功拓展应用于超燃冲压发动机进排气系统的一体化反设计中。..关键词: 高超声速；PIV；超燃冲压发动机（SCRAMJET）；进气系统；排气系统