朱拥勇，王旭东

(海军工程大学， 武汉 430000)

超声速进气道不启动现象一直是阻碍超燃冲压发动机工作稳定性提升的一大障碍[1]。由于受燃烧室燃烧高反压的影响，会出现激波串被吐出进气道，进气道发生不启动的现象。诸多研究者对超声速进气道/隔离段内流场流动特性的研究表明，边界层流动分离在超声速进气道不启动中扮演着重要的角色[2-3]。因此，对边界层流动进行控制对提升进气道性能十分必要。国内外一些研究者[4-7]对诸如抽吸、等离子体控制、微型涡流发生器等控制方式进行研究，由于可有效增强边界层内流体的动量，微型涡流发生器和微型射流被认为具有改善或消除边界层流动分离的广阔应用前景[8]。

在微型斜坡对超声速进气道启动影响的研究中，Shinn等[9]发现原本来流条件由Ma=2.0降到Ma=1.8时出现的激波串被推出进气道引发不启动，在加入微型斜坡控制时进气道恢复了启动；Bueno采用PIV技术对2马赫来流下恒定射流和脉冲射流的边界层控制进行试验研究[10]，得出射流可有效增加底层边界层内流速，边界层抗分离性增强；Henry采用数值模拟的方法研究了射流产生的流向涡对边界层的作用[11]，指出俯仰角在30°、偏航角60°时使得壁面摩阻增大最多，边界层最不容易发生分离；H Anderson等[12]在改进S型进气道主动控制系统时，在射流后部加入微型斜坡，射流流量降至原来的十分之一可达到同样的控制效果；Wagner[13]等在进气道入口处放置微型斜坡和微型涡流发生器与微射流涡流发生器组合后发现在进气道处于稳定启动状态下，最大背压提升32%，隔离段内压强稳定性提升34%。但少有研究者研究微型涡流发生器与微射流涡流发生器组合的流动控制特性及其作用机理，本文通过数值模拟的方法对带微型涡流发生器与微射流涡流发生器组合在进气道流场进行仿真计算，着重研究在高出口反压工况下的流动控制特性。

1 计算模型

1.1 计算模型

计算模型参考Valdivia[8]的实验模型，为排除入射激波的干扰，将原进气道中长90.7 mm的楔形激波发生器改为平直滑移段，模型为总长L=317.8 mm，进口截面为30 mm×25.4 mm的矩形自由通道。微型涡流发生器的后缘高度为h=2.7 mm，前缘宽度c=5.84 h，轴向长度l=6.57 h，放置于隔离段入口处，设置微型涡流发生器前缘中心为坐标轴原点。微射流涡流发生器喷孔直径d=1.4 mm，微型涡流发生器与射流喷孔的距离记作Lj(在微型涡流发生器之前为负，之后为正)，计算模型如图1所示。来流马赫数Ma=2.0，总温T0=300 K，总压P0=360.224 kPa，设置出口背压Pout=167.58 kPa。射流总压P0=1379 kPa，总温T0=286.7 K。

图1 计算模型结构(单位：mm)

为减少计算量并保证来流边界层充分发展，本文采用数值拟合的方法将边界层厚度达到5.43 mm处的流场总压、静压、总温和静温等流场参数拟合成函数，并以UDF的形式作为进口边界条件加载到计算域入口处。经计算，进入隔离段之前，边界层厚度已经发展到7.42 mm(见图2)，微型涡流发生器高度约占其厚度的36%。

图2 边界层内轴向流速

为研究微型涡流发生器与微射流涡流发生器组合的流动控制特性，本研究通过对射流位置进行计算，首先对比无射流以及射流俯仰角θ=45°，Lj=-3.7h和3.7h三个算例来验证射流与微型涡流发生器组合以及射流孔在微型涡流发生器前后位置的差异；为研究射流位置对隔离段内流动控制的影响规律，设置射流俯仰角θ=45°，Lj分别等于1.85h、2.78h、3.70h和5.56h四个算例。

本研究应用多组分化学非平衡N-S守恒方程和可压缩修正的SSTk-ω湍流模型，来流为理想气体，气体黏度采用Sutherland方程描述，选取基于密度的耦合显式求解器求解稳态问题。来流非对称，为使附面层发展段上壁面的附面层厚度尽量小，将上壁面设置为无滑移壁面。采用结构网格划分方法对物理域离散，由于计算域对称，故取一半计算。为保证计算精度，对近壁面处、微型涡流发生器及射流附近进行网格加密，网格总量为300万，局部网格如图3所示。

图3 局部网格示意图

1.2 算例验证

为验证本研究选取的湍流模型计算有效性，对Babinsky[14]的微型涡流发生器超声速绕流实验模型进行算例验证。图4为微型涡流发生器附近的下壁面流线与实验油流图。由下壁面分离结构图知，数值模拟将微型涡流发生器周围流场特性较为准确地模拟出来，流场在微型涡流发生器前缘处发生小范围分离流动，在尾部二次分离产生二次涡，同时形成一对反向旋转的主涡对，主涡对的痕迹在两张图中均清晰可见。数值模拟计算结果与实验值吻合较好，本文选取的湍流模型较为合理。

图4 下壁面数值模拟与实验

2 计算结果与分析

2.1 射流对边界层流动控制的影响

图5为无射流控制以及射流分别在微型涡流发生器前后3.7h处时的上壁面压强云图。无射流控制的上壁面压强前锋已经接近进气道入口，可以认为隔离段抗反压能力已达极限；在加入射流控制后，压强前锋均被控制在隔离段内，较无射流控制相比，前置射流的压强前锋后移约35h，后置射流的压强前锋后移40.6h。隔离段下壁面内低速流场发展状况直接关系到隔离段的工作状态。为分析底层流动状态，图6给出y=0.1 mm截面流向速度云图和流线图。可知，无射流控制流道的角区存在大范围低速回流区，且已被推至进气道入口处，底层流场在回流区的挤压下流道变窄，流速减缓，这将直接导致进气道的质量流率的下降；而含射流控制的流场内低速回流区均在微型涡流发生器后侧且长度大为缩短。观察流线图可知，前置射流的回流区范围比后置射流大，回流区内涡流强度也强一些，分析原因可能是在射流产生的高压区作用下，部分底层来流向两侧和上部流动，反而削弱微型涡流发生器的作用。

图5 隔离段上壁面压强云图

为定性比较微型涡流发生器与射流组合控制下进气道/隔离段性能，图7给出三个算例的沿程总压损失变化曲线。从整体趋势上看，无射流控制的总压损失最大，射流后置最小，说明加入射流控制后有利于减小总压损失，射流后置的改善效果更明显。射流与来流直接作用会在一定程度上不利于总压损失的进一步降低，可以解释为射流置于微型涡流发生器之前导致喷流前的弓形激波强度增加，从而导致总压损失增大。

图6 y=0.1 mm截面流向速度云图和流线图

图7 总压损失系数

壁面摩擦因数Cf=2τw/(ρu2)=0.059Re-1/5[15]是用来衡量涡旋对边界层控制作用的重要参数，较大的Cf表明动能较高的流体被涡旋带到壁面附近，使边界层对抗分离的能力提高。图8为下壁面壁面摩擦因数变化趋势图，以无射流为基准进行归一化处理。在x/h=56之前，有射流控制的流场Cf值要大于无射流控制的流场，其中射流后置基本在射流前置之上；x/h=56之后无射流控制的Cf值较高，原因由上文对图6的分析可知，无射流控制流场的高强度扰动区已被反压推至流场前部，流场后部较为稳定，雷诺数Re数较小，从Cf计算公式看出，Re越小，Cf值越大。

综上所述，微型涡流发生器与射流组合的流动控制性能较无射流控制时更优越。

2.2 射流喷射位置的流动控制特性

对比图9给出的y=0.1 mm截面不同射流位置流场流向速度云图和流线图，可以看出随着射流位置远离微型涡流发生器，角区低速回流区与入口距离呈现先远离后接近的变化趋势，其中Lj=2.78h的低速回流区距入口最远，回流作用较强的区域集中在长度约6h的范围内，高速流场范围最大，流动状况也相对较好。Lj=3.7h和Lj=5.56h的底层流场流动状况相接近，说明射流位置继续后移对壁面流场流动状况的改善已经没有帮助。

图8 下壁面壁面摩擦因数展向平均无量纲值

图9 y=0.1 mm截面流向速度云图和流线图

图10 x/h=7.4和x/h=22.2截面涡量云图

从图11的对称面速度云图看出，在微型涡流发生器之后存在y方向逐渐扩大的低速区，观察流线的流向高度变化，发现流线高度与Lj基本呈负相关。射流过于接近微型涡流发生器时，产生的流向涡过早受到上部高速流体冲击，导致迅速衰弱，引起流向控制区域急剧减小；而射流过于远离微型涡流发生器，较大的射流动量易穿透微型涡流发生器后的低速区，在y方向的高度过高，难以将高动能流体卷入底层流场，导致其控制作用下降。这也解释了图11中Lj=3.7h和Lj=5.56h的远场流向涡高度过高的现象。

图11 对称面速度云图和流线图

图12为下壁面壁面摩擦因数展向平均值变化曲线(以入口Cf值为基准进行无量纲化处理)。采用Lj=2.78h位置的射流控制可以获得较高的Cf值，但沿流向衰减较快。Lj=3.7h和Lj=5.56h在x/h=20附近，Lj=2.78h在x/h=44附近的Cf值突降，原因在于此处为角区的低速回流聚集处，处于高度湍流状态，流动质量较差。射流在Lj=1.85h和Lj=2.78h的Cf值相差较大，而Lj=3.7h和Lj=5.56h差距不显著，表明就本文研究的射流而言，Lj=1.85h和Lj=2.78h区域内的变化对控制作用的影响较大，并且Lj=3.7h较Lj=5.56h相对好一些，说明射流继续向后移对流动控制性无改善。

图12 下壁面壁面摩擦因数展向平均无量纲值

流场出流质量直接影响后部燃烧室的燃料掺混，影响燃烧效率。图13给出了总压畸变指数(Dp)和马赫数畸变指数(Dm)变化曲线，对比不同Lj射流的Dp值发现，Lj=3.7h和Lj=5.56h基本重合，Lj=2.78h整体最小，且和Dm值一样，在x/h=44附近跃升到最高值，与前文分析一致，此处存在回流区，引起流场质量下降，马赫数畸变增大。就本文的计算结果而言，Lj设置在2.78h至3.7h时，隔离段出口流场的马赫数畸变指数和总压畸变指数最小，出流质量最好。

图13 马赫数畸变指数(a)和总压畸变指数(b)

3 结论

通过数值模拟的方法对来流Ma=2.0条件下带微型涡流发生器与微射流涡流发生器组合的进气道流场进行仿真研究，着重比较了有无射流及射流位置对流动控制特性的影响，分析了流场改善的原因。研究发现：

1) 相比无射流控制，微型涡流发生器与射流组合能够极大提高隔离段的抗反压能力，且射流后置的流动控制性能更佳。

2) 设置射流间距在一定区间可以大幅度延迟角区低速回流区的形成，边界层抗分离性增强，出流质量明显提高，在本研究的边界条件下，Lj=2.78h的综合控制性能最优。

3) 流向涡的状态影响流动控制效果。近场流向涡体积越大，在向下游发展过程中，涡核也更贴近下壁面，同时免受高层高流速流体的冲击，有利于延迟边界层的发育。