论文摘要：高超声速飞行器磁流体技术数值模拟研究

近年来高超声速飞行器已成为各航空航天大国的研究热点，而超燃冲压发动机是高超声速飞行器的首要关键部件，世界各国在高超声速飞行器领域的研究主要集中在超燃冲压发动机的研制上。大量理论分析、数值模拟、地面风洞试验以及飞行试验所取得的研究成果充分证明了超燃冲压发动机的可行性。然而到目前为止仍然存在很多技术问题有待解决，包括非设计状态下性能恶化、高热载、燃烧效率低等，这使得高超声速飞行器的应用在短期之内难以实现。针对上述超燃冲压发动机技术所存在的系列问题，磁流体动力学(Magneto-Hydro-Dynamic, MHD)技术为解决这些难题提供了可行方案。磁控进气道的应用可以提高高超声速进气道在非设计状态下的性能；而MHD能量旁路的应用则能够扩大高超声速飞行器的飞行马赫数范围并改善发动机在非设计状态下的性能。这两种类型的应用是当前MHD技术研究的热门领域。本文以这两种类型的磁流体技术为研究对象开展工作，具体包含以下研究内容：首先采用一维模型对MHD发生器和MHD加速器的性能进行了研究，并对关键参数的影响进行了分析。结果表明MHD发生器可以有效减少流体的总温，通过对磁场强度、负载系数和通道截面积变化率等控制参数的调节可以实现等温减速的效果，而用于电离的能量只占所提取能量的一小部分。MHD加速器能够有效增加流体的总温和总压，和普通的加热方式相比，其加入的焓值中有一部分是以推力功的形式加入的，不会导致熵增。在此基础上采用准一维模型对MHD能量旁路超燃冲压发动机进行了可行性研究。结果表明MHD能量旁路的应用可以扩大超燃冲压发动机的工作马赫数范围，并提高其在非设计状态下的性能。针对高超声速飞行器的低磁雷诺数特性，建立了适用于该飞行器推进系统的磁流体动力学方程组，推导出了用于求解电势的泊松方程，并给出了考虑霍尔效应时边界条件的确定方法。利用所构造的方程组和边界条件确定方法分别对单对电极和多对电极电磁通道进行了数值模拟研究，数值模拟结果和分析表明，采用所推导的方程和边界条件确定方法能够正确模拟存在霍尔效应时电磁通道中的电流流动现象，满足电路电流守恒定律。对霍尔现象的研究表明，霍尔效应会导致电流在阳极的下游和阴极的上游集中，并使流动参数呈现不对称性。磁作用数为1的量级时电磁力对流场产生了显著的影响，使出口处马赫数减小、压强增加，通道中出现复杂的激波和膨胀波系。采用二维数值模拟的方法研究了三种类型的磁控进气道的性能，并对关键参数的影响进行了分析。当飞行马赫数大于设计马赫数时，MHD发生器模式的磁控进气道可以使激波回到唇口处，参数选取合适时能够抑制边界层分离，使内进气道中的流动变均匀，并提取出能量。为了使出口处的流动较均匀应使磁流体作用区域靠近上游，且作用深度应尽量深一些。飞行马赫数小于设计马赫数时，可以采用MHD发生器或加速器模式的磁控进气道，磁场需有平行于和垂直于流动两个方向的分量。磁场的方向和电磁作用的区域需要进行优化选择。在适当的参数条件下，这两种类型的磁控进气道都可以增加空气流率、压缩比和总压恢复系数并抑制边界层分离。针对马赫数6设计了超燃冲压发动机外形，在设计马赫数下应用磁流体能量旁路来提高发动机性能；当飞行马赫数大于设计马赫数时，联合应用磁控进气道和磁流体能量旁路。对以上两种情况分别进行了多个算例的三维粘性数值模拟，分析了通道中的流场结构和电参数分布规律，并对能量转换的情况进行了研究。

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