超音速飞机推进系统优化——扩压器的CFD仿真分析

利用跨音速扩压器减慢超音速

扩压器有两个主要用途：

1. 减慢流体流动

2. 增大静压

这些功能在多种应用领域都非常有用，包括帮助暖通空调系统均匀地分配风量、减少超音速喷射器中的压力损失、尽可能地减少离心泵中的湍流，以及减少赛车阻力。

扩压器是超音速飞机推进系统中的重要部件。举例来说，冲压式喷气发动机（也称为“飞行的烟囱”）是一种使用扩压器作为入口的吸气式喷气发动机。扩压器将发动机内的气流减慢到亚音速，这样就不会使燃烧器熄灭，也有助于将流动损失降到最低。通过增大压力，扩压器还有助于提高燃烧室的性能，使飞机更省油。

冲压式喷气发动机应用于多种超音速飞机，比如上图中的 SR-71“黑鸟”。

优化后的扩压器有助于制造更好的超音速飞机发动机，但是设计这种部件可以说是一项挑战，因为它涉及不稳定的波动、高速、激波和流动分离。为了考虑这些因素并优化跨音速扩压器设计，工程技术人员可以使用 COMSOL 软件和附加的 CFD 模块，正如本基准示例中讨论的一样。

用 CFD 模块模拟跨音速扩压器

本例中使用的扩压器，几何结构来自 M. Sajben 及其团队在基准实验和仿真中所用的模型。在该模型中，流体（即空气）穿过一个缩放式扩压器。请注意，这个跨音速扩压器中，湍流开始时为亚音速。随着流体穿过扩压器，在管颈加速到音速状态，并在扩散部分（几何结构开始展开的位置）达到超音速状态。

Sajben 扩压器模型的几何结构。

当流动达到超音速后，激波会立即使它回到亚音速。激波可以导致流动分离（“强”激波）或保持未分离状态（“弱”激波）。该模型对这两种情况进行了分析。

弱激波的出口压力设为 16.05 psi，强激波的出口压力设为 14.10 psi。这些压力低到足以使流动变为音速，但又不至于在整个扩压器中保持超音速。在入口处，你可以计算出流动特性，并将数值应用在一致的边界条件上。温度和压力等入口条件则基于它们的整体属性（分别为 500 R 和 19.58 psi）来定义的。

为了有效描述扩压器中的气流，该模型使用高马赫数流动接口，这对于模拟超音速气流尤为实用。本模型使用通道高度和入口属性来计算空气湍流，并使用 Spalart-Allmaras 湍流模型计算其粘度。

仿真结果与实验数据的比较

仿真结果显示不同出口压力下空气穿过扩压器时的速度。在这两种情况下，结果均符合预期：空气加速到超音速，激波减缓了流动，其中强激波导致流动分离。

跨音速扩压器中弱激波（上）和强激波（下）情况下的流速。

顶壁上的静压基于入口压力进行归一化处理。对于两种出口压力，结果大体上都与实验数据一致，不过两次仿真中的激波都出现在比实验中稍微靠近下游的位置。

两种出口压力下，模型（线）与实验（菱形）数据的静压比较图。

下图中绘制了强激波情况下扩压器中两个不同位置的流向速度分布图。通过检查第一个位置可以看出，流动分离的起始位置与实验中的情况大致相同，速度也相似。对于第二个位置，中心空气速度仍然与实验高度吻合，但模型中的反向流动表明分离区略微向下游延伸。

扩压器中两个位置的速度分布图，其中将模型结果（线）与实验数据（菱形）进行比较。

总的来说，仿真结果与实验结果相当一致，这表明 CFD 模块可以精确地求解高速湍流，包括超音速流动和激波。利用这一功能，工程技术人员可以优化跨音速扩压器的设计，并增强超音速飞机的推进系统。