超声速进气道喘振演化特性的数理建模及稳定性分析

Starting of a supersonic inlet is the premise of the normal operating of the propulsion system, otherwise complex flow field oscillation will occur. It is difficult to achieve high-precision theoretical modeling and numerical simulation about the oscillatory flow, and advanced flow analysis methods for revealing the characteristics of inlet buzz so far have not been established. The research route of this project is “relying on the existing experimental results, conducting high confidence simulation, introducing flow analysis methods, proposing mathematical model, optimizing control effect of buzz, and guiding the design for preventing buzz”. First of all, performing high confidence simulation of buzz evolution process, and introducing advanced flow analysis methods for mathematical modeling. Then, combined with the stability variation triggered by the control method of typical slight disturbance, the flow field oscillation mechanism and stability variation of the buzz evolution process can be revealed. Two vital issues will be solved in this program: triggering and evolution mechanism of supersonic inlet buzz, and mathematical modeling of buzz evolution process. This project will take the lead in introducing the proper orthogonal decomposition, dynamic mode decomposition, and maximum Lyapunov exponent methods to analysis inlet buzz, and achieving high confidence simulation and mathematical modeling of buzz evolution process. It provides useful theoretical support and method basis for the understanding of the buzz evolution mechanism and the improvement of control effect.

超声速进气道处于起动状态是推进系统正常工作的前提，不起动喘振过程将产生复杂的流场振荡现象，难以实现高精度理论建模及数值仿真，尚未建立适用于进气道喘振特征的高级流动分析方法。本项目基于“依托现有试验结果，开展高置信度仿真，引入流动分析方法，建立数理分析模型，优化喘振控制效果，验证指导防喘设计”的研究思路，通过开展喘振演化过程的高置信度数值仿真，引入高级流动分析方法及建立喘振数理模型，结合典型小扰动流动控制引发的稳定性演化机制，揭示喘振演化过程的流场振荡机制及稳定性变化规律。.项目将解决超声速进气道喘振的产生和演化机制、喘振演化过程的数理建模方法两个关键科学问题，引入本征正交及动力模态分解方法、基于最大Lyapunov指数的时序分析方法用于喘振分析，实现喘振演化过程的高置信度仿真及数理建模，为超声速进气道喘振演化机制的认识及喘振控制效果的提升提供有益的理论支撑和方法基础。

超声速进气道处于起动状态是推进系统正常工作的前提，不起动喘振过程将产生明显的流场振荡现象，起动问题一直是超声速推进系统的重要研究方向。本项目针对进气道的喘振现象开展了高置信度数值仿真，引入本征正交分解（POD）及动力模态分解（DMD）分析方法对喘振流场进行了分析，基于经典声学理论建立了一维喘振数理模型，阐明了超声速进气道喘振的流场振荡机制，揭示了小喘与大喘状态流动稳定性变化规律，探索了非定常射流的喘振抑制效果。主要工作如下：.（1）引入了POD方法完成了喘振振荡流场的复杂时空解耦，实现了喘振振荡流场空间及时间特性的一维建模。其中POD分解得到的一阶模态所对应流场结构在喘振流场中占主导地位，可将进气道喘振现象理解为时间特性和空间特性的叠加，通过时空特性的叠加可实现喘振过程中周期性振荡现象的一维数学建模。.（2）引入了DMD方法用于喘振动力学特性分析，获取了大喘及小喘的动力学特征。其中DMD一阶模态反映了时均流场特征，二阶模态反映了主频振荡流场特性；小喘状态下，进气道内流动包含大喘的流场振荡特性，小喘状态是进气道由不喘到大喘状态的中间状态；由小喘向大喘演化过程中，进气道内一些流动特征逐渐减弱并趋于稳定收敛，大喘的流场结构整体上比小喘状态更为稳定。.（3）结合管道声学理论，完成了典型喘振状态的声学分析及一维声学建模。其中进气道喘振频率与声学驻波共振模态相关，沿程压力波动特性也符合驻波波动特性；受气体粘性、声源位置非定常波动及进气道几何结构非完全等直管道的影响，一维声学模型与数值仿真得到的沿程压力波动曲线之间存在少许误差。.（4）开展了小扰动非定常射流控制的数理建模及数值仿真分析，完成了不同射流相位、振幅、频率状态下的数理及仿真结果对比，结果表明非定常射流控制的数值仿真结果与数理理论预测结果基本吻合，进一步证明了本项目所提出的喘振一维声学数理模型的可靠性，为超声速进气道起动性能的提升提供了一条新的分析手段。