新型沖壓推進(jìn)系統(tǒng)的波系結(jié)構(gòu)及其MHD控制.pdf

1、新型沖壓推進(jìn)系統(tǒng)，如超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、斜爆轟波發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓加速器等，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且具有高瞬態(tài)特性。由于目前的相關(guān)研究還不充分，因而無(wú)法達(dá)到工程應(yīng)用的要求，一系列問(wèn)題尚需解決，如擴(kuò)大可操控的飛行馬赫數(shù)范圍、強(qiáng)激波對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)氣道的影響等。另一方面，高速流場(chǎng)中，強(qiáng)激波與爆轟波導(dǎo)致研究對(duì)象周圍的氣流電離，使得應(yīng)用磁流體(MHD)技術(shù)對(duì)強(qiáng)激波與爆轟波的控制和優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變成可能，相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段。
　　 本文基于帶化學(xué)反應(yīng)與

2、MHD控制源項(xiàng)的Euler方程，分別采用混合Roe/HLL及WENO計(jì)算格式，利用自適應(yīng)加密笛卡爾網(wǎng)格與沉浸邊界法對(duì)新型沖壓推進(jìn)系統(tǒng)的波系結(jié)構(gòu)及其MHD控制機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　 首先對(duì)管內(nèi)爆轟波的誘導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了爆轟波的誘導(dǎo)特性，驗(yàn)證了所采用數(shù)值方法的有效性，并揭示了弱激波繞射方塊障礙物并在障礙物后方碰撞加速誘導(dǎo)爆轟波的機(jī)理。
　　 數(shù)值模擬了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)雙楔形進(jìn)氣道流場(chǎng)及其MHD控制過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)

3、用洛倫茲力可控制進(jìn)氣道上的斜激波，洛倫茲力的方向?qū)HD控制的效果具有重要影響，并且具有合適大小和方向的洛倫茲力可以同時(shí)將不同超聲速來(lái)流情況下的斜激波恢復(fù)到設(shè)計(jì)情況，但其流場(chǎng)情況會(huì)稍有不同。
　　 通過(guò)對(duì)單、雙楔斜爆轟波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其MHD控制過(guò)程的數(shù)值研究，表明，斜爆轟波可分為穩(wěn)定與不穩(wěn)定兩種情況。對(duì)于穩(wěn)定斜爆轟波，其波陣面位置基本固定，而不穩(wěn)定斜爆轟波則相反。洛倫茲力可以將不同馬赫數(shù)條件下的穩(wěn)定斜爆轟波恢復(fù)到其設(shè)計(jì)位置，但是，

4、對(duì)于雙楔，布置在第一道斜劈表面的洛倫茲力無(wú)法有效控制第二道斜激波，當(dāng)后楔傾角過(guò)大時(shí)，斜爆轟波流場(chǎng)將失穩(wěn)。洛倫茲力可使不穩(wěn)定斜爆轟波趨于穩(wěn)定，卻很難控制不穩(wěn)定斜爆轟波恢復(fù)到設(shè)計(jì)位置，因此MHD控制的應(yīng)用主要針對(duì)穩(wěn)定斜爆轟波陣面。
　　 采用高精度WENO計(jì)算格式數(shù)值模擬了沖壓加速器冷態(tài)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明計(jì)算方法很好地描述了沖壓加速器內(nèi)部流場(chǎng)和激波結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了WENO格式捕捉高速流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的有效性，并完整地呈現(xiàn)了彈丸周

5、圍激波的形成與發(fā)展過(guò)程及相關(guān)參數(shù)的變化情況，可以對(duì)沖壓加速器冷態(tài)實(shí)驗(yàn)給予一定的指導(dǎo)與借鑒，并對(duì)接下來(lái)的熱壅塞與超爆轟模態(tài)沖壓加速器的研究提供指導(dǎo)。
　　 數(shù)值研究了熱壅塞模態(tài)沖壓加速器內(nèi)的流場(chǎng)情況，研究了預(yù)混氣體反應(yīng)速率、彈丸形狀與速度對(duì)沖壓加速器工作狀態(tài)與性能的影響。結(jié)果表明只有速度與反應(yīng)速率相匹配，才能形成熱壅塞模態(tài)流場(chǎng)，合理的彈丸形狀可以使來(lái)流速度與預(yù)混氣體反應(yīng)速率相匹配的范圍擴(kuò)大。而且，當(dāng)流場(chǎng)處于熱壅塞模態(tài)，火焰陣面可以

6、穩(wěn)定在船型彈丸肩部后方，并產(chǎn)生最大推力;當(dāng)火焰陣面穩(wěn)定在彈丸底部時(shí)，推力受到尾渦脫落的影響產(chǎn)生脈動(dòng)。
　　 進(jìn)一步研究了超爆轟模態(tài)，沖壓加速器內(nèi)的流場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)在一定的馬赫數(shù)范圍內(nèi)，斜爆轟波可駐定在彈丸肩部或頭部，且都能產(chǎn)生推力。對(duì)于典型的超爆轟模態(tài)（斜爆轟波駐定在彈肩），反應(yīng)速率增加時(shí)，彈丸推力增大。對(duì)來(lái)流馬赫數(shù)過(guò)低或過(guò)高的流場(chǎng)情況，采用洛倫茲力可擴(kuò)大彈丸在典型超爆轟模態(tài)運(yùn)行的馬赫數(shù)范圍，發(fā)現(xiàn)馬赫數(shù)過(guò)低時(shí)，洛倫茲力可加速?gòu)椡桀^