超高速内流壁面边界层喷注与减阻特性研究

作     者：渠镇铭 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗飞腾

授予年度：2023年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：高马赫数超燃冲压发动机 壁面减阻 边界层喷注 边界层燃烧 壁面剪应力测量 

摘      要：高超声速飞行条件下,高焓、高总温来流条件使得发动机内流摩阻急剧增加,成为飞行器阻力的主要来源,如何减少内流壁面阻力成为高马赫数飞行设计中亟待解决的问题。本文针对高马赫数超燃冲压发动机内流壁面减阻需求,针对边界层喷注流动控制方法、基于平壁内流模型、特征燃烧室模型开展了模拟飞行马赫数8-12范围超高速内流条件下壁面减阻特性的三维数值仿真与实验研究,其中考虑了多种喷注工质及喷注参数、喷注方案,分析总结了边界层喷注减阻作用机理、机制与路径、以及减阻特性与规律。获得主要研究结论和认识如下:(1)通过简单平壁内流模型对边界层喷注减阻机理、机制开展系统性研究,完成了惰性气体、乙烯以及氢燃料等多种工质、不同喷注条件下壁面边界层喷注减阻数值模拟,分析总结了边界层喷注减阻作用机理、影响机制与路径,考察了主流释热条件下喷注减阻效果,为边界层喷注方案设计、参数选择等提供基础参考。(2)基于超高速特征燃烧室构型开展主流喷注、边界层喷注的数值仿真研究,分析多种喷注方式、当量比条件下壁面阻力特性及相对减阻特性,提出了考虑掺混和工程可实现的燃料喷注/减阻一体化方案、并开展了仿真分析和效能评估,相关研究结果可为实际燃烧室构型环境下一体化喷注方案设计提供参考。(3)基于直连实验台、特征燃烧室模型完成了超高速冷态来流条件下喷注实验与测试,考虑多种喷注方式、喷注压力参数,建立了壁面剪应力直接测量手段,通过流场纹影、壁面压力、剪应力测量结果进一步分析、验证了喷注减阻效果与特性,同时验证了数值仿真方法与模型的有效性。综上,本文对边界层喷注减阻开展了系统性的研究分析,总结边界层喷注动作减阻机制路径;并根据已有研究理论在实际特征燃烧室构型中对边界层喷注减阻技术进行初步尝试,可为后续该技术的实际应用提供参考。