旋流能够大幅度提高气流湍流度，增强对流换热效果，增加各燃烧组分在燃烧室内的停留时间以使混合更充分，在一定条件下可以提高燃料燃速、燃烧效率和比冲，能增强燃烧的稳定性，因此冲压发动机旋流燃烧技术的工程应用具有很大潜力。但是，已有的研究中还发现旋流对冲压发动机工作性能的影响是复杂的，对于不同的旋流器结构、燃烧室形状、燃料种类等条件，影响是不同的，甚至可以发现旋流对发动机造成负作用的情况，所以旋流燃烧技术要运用于武器系统中，还需要进行大量的试验研究。

旋流器是研究旋流燃烧技术、改进冲压发动机性能所必需的试验装置，一方面使来流产生切向动量，以旋流状态进入燃烧室；另一方面决定旋流强度，对燃料燃烧性能产生间接影响。要突破旋流燃烧技术和改善冲压发动机性能，有必要对旋流器开展扎实而细致地研究。

1.3  国内外相关研究综述

1.4  本文的主要工作

冲压发动机旋流燃烧技术可以提高燃料燃速、燃烧效率和比冲，能增强燃烧的稳定性，该技术的工程应用具有很大潜力，本文以产生旋流为目的，针对冲压发动机旋流模拟器开展设计和仿真工作，主要研究工作如下：

（1）以旋流数S=0.5为基准设计一种旋流器，按照模拟来流马赫数为2.0、2.2、2.4、2.6，质量流率为0.3kg/s、0.4kg/s、0.5kg/s、0.6kg/s共16种来流工况设计相应的限流喉道，确定几何参数。

（2）建立流场计算模型，针对流场特性进行基本假设，建立控制方程组和湍流模型，运用ANSYS ICEM CFD软件对计算模型进行网格划分，用FLUENT软件对4种模拟来流马赫数、4种质量流率共16种情况下的流动进行数值仿真计算。

（3）读取各种情况下的仿真结果，给出仿真云图和气流参数，并进行比较和分析，计算出总压恢复系数和旋流数，讨论旋流器的旋流效果。

2  冲压发动机旋流模拟器的设计

本章设计了旋流器及其相关部件，相关部件包括限流喉道以及整流锥，主要通过查阅相关资料并进行手工计算确定各部件几何尺寸，另外，本章还对经过限流喉道后的气体状态参数进行了理论计算，以作为后续的数值仿真过程中的参考，判断数值仿真过程是否正确。为简化理论计算，假设来流为冷流状态下的理想气体，且是一维定常绝热流动。在进行此旋流器设计之前，已经对同种冲压发动机进行过无旋燃烧试验，部分试验数据在本文中将被使用。

2.1.1  旋流器设计思路

本文采用叶片式旋流器，选取旋流数S以0.5为基准进行设计计算。根据已有实验设备要求，旋流器做成最大外径为70mm的圆柱形，以便安装于冲压发动机试验台的进气道内。整个旋流器主要包括三个部分：旋流器中心体、旋流器叶片、旋流器外环。旋流器中心体是内外直径分别为28mm和38mm的圆环柱体，柱体内缘前后段分别有一定宽度的螺纹，该螺纹用于连接旋流器前锥和后锥，柱体外缘沿周向等角度位置铣了10个叶片卡槽，便于叶片定位。旋流器叶片是圆弧形叶片，为保证叶片之间气流产生足够旋流强度，旋流器设计有10个叶片。每个叶片厚度为1.5mm，迎风面叶弦长为60mm，叶片前缘削尖，减小气流阻力。每个叶片的前缘都相切于来流，并且垂直于旋流器中心轴线。叶片迎风面、背风面曲率半径可根据旋流数、气流转角等参数通过卡特尔法则计算得出。旋流器外环是外径为70mm、内径66mm的圆环柱体。10个旋流器叶片经过卡槽定位在旋流器中心体上，再通过焊接的方式将叶片和旋流器中心体及旋流器外环固接为一个完整的旋流器。