高超声速进气道流动失稳机理及其控制

高超声速进气道不起动是超燃冲压发动机的重要流动现象,精准识别并采取有效控制手段避免不起动现象对于超燃冲压发动机高效稳定运行非常重要。本书首先阐述隔离段激波串运动特性，针对多种因素诱发的多种进气道不起动模式形成过程和形成机制进行探讨，并给出亚/超额定工况及考虑反压激励下的不起动多模式转换特性，在此基础上给出一种鲁棒的进气道不起动监测方法。然后通过开展边界层抽吸及自适应抽吸射流流动控制下的激波串运动特性研究,发展一种进气道稳定裕度表征方法，给出真实条件下考虑人射激波影响时的隔离段激波串前缘位置控制方法。本书内容新颖，适合从事航空航天推进系统设计、分析、教学与生产的科技人员参考，特别适合从事高超声速推进技术、航空航天发动机技术的科研人员阅读，也可以作为航空宇航推进理论与工程专业及工程热物理专业的高年级本科生及硕士研究生的教学参考书。

丛书序
前言
第1章绪论1
1.1超燃冲压发动机飞行实验简介/1
1.2高超声速进气道隔离段基本工作过程/4
1.3高超声速进气道不起动模式及其分类/6
1.4高超声速进气道隔离段监测及控制/10
1.4.1高超声速进气道不起动监测面临的主要问题/10
1.4.2高超声速进气道控制面临的主要问题/11
1.5本书主要内容/14
第2章高超声速进气道隔离段激波串运动特性16
2.1引言/16
2.2隔离段基本功能介绍/17
2.3隔离段激波串突跳现象的数值研究/19
2.3.1进气道模型与数值方法/19
2.3.2固定背景波系下的激波串突跳运动特性/20
2.3.3变化背景波系下的激波串突跳运动特性/33
2.3.4小结/38
2.4激波串突跳极限存在性的数值仿真验证/38
2.4.1激波串前缘的等效喉道流场结构/38
2.4.2等效喉道收缩比与运动状态转换的规律/39
2.5激波串突跳触发条件的无黏分析方法/42
2.5.1最小收缩比分析方法的可行性验证/42
2.5.2均匀来流下的最小收缩比分析方法/44
2.5.3最小收缩比的数值仿真验证/49
2.6对等效喉道收缩比变化是否存在的实验验证/51
2.6.1实验条件与测量设备/51
2.6.2等效喉道收缩比变化现象的实验验证/55
2.7隔离段激波串突跳特性的有黏分析方法/59
2.7.1考虑壁面摩擦系数的激波串前缘流动参数分析方法/60
2.7.2触发突跳时的激波串前缘流场结构/62
2.7.3触发突跳的最小收缩比分析方法/64
2.7.4突跳恢复的激波串前缘流场结构假设/67
2.7.5突跳恢复的最小收缩比分析方法/68
2.8无黏与有黏分析方法的实验验证/70
2.8.1触发突跳的无黏分析方法的实验验证/70
2.8.2突跳触发与恢复的有黏分析方法的实验验证/72
2.9本章小结/74
第3章亚额定工况下高超声速进气道不起动模式75
3.1引言/75
3.2亚额定工况下高超声速进气道不起动无黏理论分析/76
3.2.1低马赫数不起动和大来流攻角不起动/76
3.2.2高反压不起动/78
3.3亚额定工况下高超声速进气道不起动数值模拟/79
3.3.1无黏数值模拟/79
3.3.2有黏数值模拟/80
3.4亚额定工况下高超声速进气道反压不起动实验研究/82
3.4.1地面实验系统/82
3.4.2进气道起动流场特性分析/87
3.4.3典型的进气道不起动流场特性分析/93
3.4.4特殊的进气道不起动流场特性分析/97
3.5本章小结/101
第4章超额定工况下高超声速进气道局部不起动模式103
4.1引言/103
4.2超额定工况下高超声速进气道局部不起动模式流场结构/104
4.2.1实验装置与测量手段/104
4.2.2局部不起动现象及其讨论/105
4.3超额定工况下高超声速进气道局部不起动特性无黏分析/107
4.3.1膨胀波干扰下的激波反射模式转换/107
4.3.2无黏流动下局部不起动发生条件/109
4.4超额定工况下高超声速进气道局部不起动特性有黏分析/111
4.4.1非对称激波相互作用下的激波反射模式转换/111
4.4.2有黏流动下局部不起动发生条件/114
4.4.3无黏流动/有黏流动对比分析/118
4.5本章小结/119
第5章反压激励下的高超声速进气道不起动多模式对比120
5.1引言/120
5.2亚额定工况反压激励下的高超声速进气道全局不起动/121
5.2.1低总焓来流下射流引起的全局不起动/122
5.2.2高总焓来流下射流引起的全局不起动/124
5.2.3高总焓来流下燃烧引起的全局不起动/127
5.3超额定工况反压激励下的高超声速进气道局部不起动/130
5.3.1低总焓来流下射流引起的局部不起动/130
5.3.2高总焓来流下射流引起的局部不起动/133
5.3.3高总焓来流下燃烧引起的局部不起动/136
5.4亚/超额定工况反压激励下的高超声速进气道不起动对比/138
5.4.1全局不起动/局部不起动发展过程的相似性/138
5.4.2全局不起动/局部不起动发展过程的差异性/140
5.5本章小结/141
第6章高超声速进气道不起动多模式转换特性142
6.1引言/142
6.2高超声速进气道全局不起动/起动模式转换特性/143
6.2.1无反压下的全局不起动/起动转换/143
6.2.2有反压下的全局不起动/起动转换/145
6.3高超声速进气道局部不起动/起动模式转换特性/146
6.3.1变唇罩角度引起的局部不起动/起动转换/146
6.3.2变下游压力引起的局部不起动/起动转换/147
6.3.3变来流条件引起的局部不起动/起动转换/149
6.4高超声速进气道全局不起动/局部不起动模式转换特性/151
6.5高超声速进气道起动/全局不起动/局部不起动多种工作模式转换特性/154
6.5.1变来流条件引起的高超声速进气道多模式转换/154
6.5.2变燃烧室反压引起的高超声速进气道多模式转换/156
6.6本章小结/157
第7章高超声速进气道不起动监测方法159
7.1引言/159
7.2高超声速进气道不起动多模式的特性分析/160
7.2.1高超声速进气道全局不起动特性/160
7.2.2高超声速进气道局部不起动特性/162
7.3基于壁面动态压力信号时域和频域特性的进气道不起动监测方法/163
7.3.1已有监测算法/163
7.3.2基于递归傅里叶变换的不起动监测算法/167
7.3.3基于求导的不起动监测算法/168
7.4基于壁面动态压力信号时间序列分析的进气道不起动监测方法/170
7.4.1时间序列建模/170
7.4.2基于AIC值的进气道不起动监测/172
7.4.3基于模型残差方差的进气道不起动监测/172
7.4.4基于KL信息距离的进气道不起动监测/173
7.5高超声速进气道不起动多模式对监测方法的影响/175
7.5.1全局不起动非振荡模式对不起动监测的影响/175
7.5.2局部不起动模式对监测方法的影响/175
7.6本章小结/176
第8章边界层抽吸对隔离段激波串特性的影响177
8.1引言/177
8.2边界层抽吸对隔离段局部抗反压特性的影响/178
8.2.1物理模型/178
8.2.2基准进气道通流/节流流场特性/178
8.2.3抽吸作用下的进气道通流/节流特性/185
8.2.4反压作用下隔离段局部波系结构分析/188
8.2.5抗反压局部流场特性/191
8.2.6考虑局部压力突跃的经验压升表达式/193
8.3边界层抽吸控制效能评估/195
8.4抽吸狭缝动态开启过程对隔离段流动特性的影响/200
8.4.1物理模型/200
8.4.2抽吸闭合状态通流/临界流场特性/203
8.4.3抽吸迅速开启过程流场动态特性/204
8.4.4抽吸迅速开启过程中的质量流量动态特性/214
8.5本章小结/214
第9章自适应抽吸射流对隔离段激波串突跳特性的抑制216
9.1引言/216
9.2自适应抽吸射流流动控制方法/216
9.2.1实验条件和测量装置/216
9.2.2自适应抽吸射流流动控制装置/217
9.2.3实验工况介绍/219
9.3自适应抽吸射流对激波串突跳特性的影响/221
9.3.1流动控制对隔离段流场的影响/221
9.3.2无流动控制条件下的激波串运动/223
9.3.3单独使用稳压腔对抑制激波串突跳特性的不足/228
9.3.4自适应抽吸射流流动控制条件下的激波串运动/232
9.3.5流动控制下的壁面压升规律/234
9.4本章小结/239
第10章高超声速进气道隔离段稳定裕度表征方法240
10.1引言/240
10.2地面实验系统介绍/241
10.2.1实验模型/241
10.2.2采集设备/242
10.2.3实验过程/243
10.3燃烧反压激励下的隔离段激波串特性实验研究/244
10.3.1隔离段壁面压力分布/244
10.3.2激波串前缘位置与隔离段出口反压的关系/246
10.3.3激波串前缘位置与燃油当量比的关系/247
10.4已有的稳定裕度表征方法/248
10.4.1基于隔离段出口反压的稳定裕度表征方法/248
10.4.2基于激波串前缘位置的稳定裕度表征方法/251
10.5基于壁面压力面积积分的稳定裕度表征方法/253
10.5.1壁面压力面积积分的引入/253
10.5.2壁面压力面积积分与燃油当量比的关系/254
10.5.3稳定裕度表征方法/254
10.6基于遗传算法的稳定裕度表征测点约简问题/257
10.6.1数据样本集/257
10.6.2问题描述/259
10.6.3基于遗传算法的传感器选择/261
10.6.4很优选择结果及分析/261
10.6.5稳定裕度表征方法验证/262
10.7本章小结/264
第11章考虑入射激波影响时高超声速进气道稳定裕度控制方法研究265
11.1引言/265
11.2基于壁面逆压力梯度的激波串数学模型/266
11.2.1带流向参数的Billig公式/266
11.2.2带壁面参数梯度的Billig公式/268
11.3基于自由干涉理论的激波串机理模型/271
11.3.1激波串的动态建模方法/271
11.3.2动力学模型/275
11.3.3激波串一般性动力学模型验证/277
11.3.4入射激波影响时激波串运动不稳定的表征/281
11.4隔离段内激波串运动稳定性分析及判据/283
11.5入射激波影响时激波串运动的能观性、能控性分析/288
11.5.1入射激波影响时激波串运动的能观性分析/288
11.5.2入射激波影响时激波串运动的能控性分析/289
11.6激波串运动不稳定对超燃冲压发动机稳定裕度控制的影响/291
11.6.1超燃冲压发动机稳定裕度控制系统简介/291
11.6.2入射激波影响下超燃冲压发动机稳定裕度的闭环控制/293
11.6.3激波串运动不稳定对控制系统抗干扰能力的影响/296
11.7入射激波影响下超燃冲压发动机稳定裕度控制方法研究/296
11.7.1入射激波影响下超燃冲压发动机稳定裕度控制任务分析/296
11.7.2超燃冲压发动机稳定裕度监测方法的选择/297
11.7.3超燃冲压发动机安全边界的表征/300
11.7.4超燃冲压发动机稳定裕度的改进控制策略/302
11.7.5基于指令修改的超燃冲压发动机稳定裕度控制实验研究/302
11.8本章小结/305
参考文献307