CN106250597B - 一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法，涉及进气道边界层抽吸。包括以下步骤：根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场；运用流线追踪方法生成三维内转进气道压缩型面；根据位移厚度公式计算三维内转进气道肩部不同位置锥切面位移厚度；以进气道压缩型面与位移厚度为基础，设计完全流向抽吸口；以完全流向抽吸口构造新的进气道出口形状,并等直向后拉伸得到三维内转进气道隔离段；获得能够完全沿流向排除附面层低速低能气流，不影响高速高能气流在进气道内的流动特征的三维内转进气道。可显著提升三维内转进气道自起动性能。可保证将附面层低能流完全排除，不影响进气道内部流动特征。

Description

一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法
技术领域
本发明涉及进气道边界层抽吸，尤其是涉及一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法。
背景技术
临近空间飞行器的发展涉及国家安全与和平利用空间，是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一。以美国、俄罗斯为代表的世界强国都在大力推进各自的高超声速飞行研制计划。而超燃冲压发动机作为实现高超声速飞行器的关键技术，更是世界各国争相关注的热门领域之一。对于超燃冲压发动机而言，一个高性能的进气道是设计高性能超燃冲压发动机的关键。进气道位于高超声速飞行器推进系统的最前部，直接与高超声速飞行器前体相连接，起着压缩来流，为下游提供尽可能多高能气流的作用。经过长期的发展人们提出了一系列高超声速进气道形式，主要包括：二元式进气道、轴对称式进气道、侧压式进气道，并就它们的设计方法、流动特征、工作特性、工程设计研究等问题开展了研究。此外，国外研究人员还提出了一系列三维内转高超声速进气设计思路和方案。如：美国约翰霍普金斯大学F.S.Billig等提出的流线追踪Busemann进气道(Brien,T.F.and Colville,J.R.Analytical Computation of Leading Edge Truncation Effects on InviscidBusemann Inlet Performance,AIAA paper,2007)；美国Astrox公司的P.K.Ajay等提出的“Funnel”型进气道概念(Billig,F.S.and Kothari,A.P.,Streamline Tracing:Techniquefor Designing Hypersonic Vehicles,Journal of Propulsion and Power,Vol.16,No.3,2000,pp.465-471)；美国航天宇航研究中心的M.K.Smart等提出的将矩形进口光滑转为椭圆形出口(Smart,M.K.and Trexler,C.A.Mach4Performance of a Fixed-GeometryHypersonic Inlet with Rectangular-to-Elliptical Shape Transition,41st AIAAAerospace Sciences Meeting&Exhibit,2002)的思路等。在国内，本申请的发明人尤延铖等学者率先将外流乘波理论运用在进气道内流研究中，提出了一种被称为内乘波式的三维内转高超声速进气道。数值模拟和高焓风洞试验证实：设计状态下，该进气道可以全流量捕获来流。由此可见，三维内转进气道作为先进的进气道技术目前收到国内外众多学者的研究。此类进气道具有流量系数大、压缩效率高、浸润面积小的优点。但高的流量捕获能力同时会增加低马赫数起动的负担。因此，研究如何降低三维内转进气道起动马赫数，以拓宽此类进气道的工作范围，对此类进气道的发展具有重要意义。
降低进气道起动马赫数的方法无外乎变几何法和定几何条件的其他方法这两类。变几何方法设计原理是根据来流马赫数大小来适当调整进气道总收缩比。但此方法不适合三维内转进气道，因为相比于常规的二元进气道，三维内转进气道型面过于复杂。
至于定几何条件下的起动方法，比较常见的是附面层抽吸。抽吸方法设计理念是希望抽吸方案对进气道设计状态性能影响不大，非设计状态下还可以有效排除进气道内的低能气体，以最小的流量损失实现进气道在指定条件下的自起动。抽吸方案多采用顺向开槽或开孔，来排出进气道内一部分低能边界层，减小了边界层厚度，从而抑制分离，改善进气道自起动性能。潘成剑、李怡庆等学者还提出了一种逆向开槽的抽吸概念和方法，可以根据进气道是否起动，自动切换开启或关闭状态。
然而，无论是顺向抽吸槽还是逆向抽吸槽，都存在一个显著问题：会额外引入抽吸激波，降低总压恢复；额外引入的激波与反射激波相互干扰，形成复杂的波系结构，还会降低出口均匀性，甚至引起附面层分离，引入新的不起动因素。由此可见，提供一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法对提高高超声速三维内转进气道自起动性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法。
本发明包括以下步骤：
(1)根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场；
(2)运用流线追踪方法生成三维内转进气道压缩型面；
(3)根据位移厚度公式计算三维内转进气道肩部不同位置锥切面位移厚度；以步骤(2)得到的进气道压缩型面与步骤(3)计算得到的位移厚度为基础，设计完全流向抽吸口；在位移厚度公式中，ρ表示边界层内的当地流体密度；u表示边界层内的当地速度；ρe表示边界层外边界处的当地流体密度；ue表示边界层外边界处的当地流速；y表示垂直于流向方向的距离，壁面处y＝0；
(4)以步骤(3)中得到的完全流向抽吸口构造新的进气道出口形状,并等直向后拉伸得到三维内转进气道隔离段；获得能够完全沿流向排除附面层低速低能气流，同时不影响高速高能气流在进气道内的流动特征的三维内转进气道。
在步骤(1)中，所述根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场的具体方法可为：轴对称内收缩基本流场为360°回转体，回转中心为轴对称内收缩基本流场回转中心线；轴对称内收缩基本流场包括轴对称内收缩基本流场内乘波式进气道部分；运用特征线法求解轴对称内收缩基本流场，得到轴对称内收缩基本流场内乘波式进气道部分入射激波、轴对称内收缩基本流场反射激波。
在步骤(2)中，所述运用流线追踪方法生成三维内转进气道压缩型面的具体方法可为：设计三维内转进气道出口截面为圆形，在步骤(1)所述基本流场中进行流线追踪。其中，提取流线和反射激波的交点与流线和入射激波的交点之间的流线，作为三维内转进气道的压缩型线，将截断后的流线布置于轴对称内收缩基本流场轴向切面内得到内乘波式高超声速进气道进口型线、进气道肩部型线和进气道压缩型面。
本发明得到完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案设有三维内转进气道和完全流向抽吸通道；所述三维内转进气道设有三维内转进气道压缩型面、三维内转进气道唇口、三维内转进气道肩部、三维内转进气道隔离段；所述完全流向抽吸通道位置及大小根据三维内转进气道肩部边界层位移厚度确定，抽吸通道出口工作压力小于腔体压力。
本发明的优点：利用本发明生成的完全流向抽吸的三维内转进气道可以显著提升三维内转进气道自起动性能。完全流向抽吸通道采用附面层位移理论计算可以保证将附面层低能流完全排除，同时不影响进气道内部流动特征。进气道为三维内转进气道可保证全流量捕获来流，增大发动机推力的同时减小外流阻力。依靠附面层位移理论计算位移厚度保证了三维内转进气道不会因为完全流向抽吸通道而牺牲总体性能，从而在不降低升阻比的情况下出色地完成进气道的自起动。
附图说明
图1是完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案基本流场示意图。
图2是完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案压缩型面总体结构示意图。
图3是完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案压缩型面左视示意图。
图4是完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案压缩型面主视示意图。
图5是完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案总体结构示意图。
图6是完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案仰视示意图。
图7是完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案左视示意图。
具体实施方式
如图1～7所示，图中的标记为：1表示三维内转进气道参考面、2表示三维内转进气道前缘点所在位置、3表示基本流场流线的有效部分、4表示反射激波、5表示三维内转进气道唇口、6表示三维内转进气道进口入射激波、7表示基本流场回转中心线、8表示流线与反射激波的交点、9表示三维内转进气道肩部型线、10表示三维内转进气道前缘捕获型线、11表示流线追踪法追踪出的流线、12表示基本流线有效部分离散成的点集、13表示三维内转进气道压缩型面、14表示三维内转进气道附面层、15表示三维内转进气道锥切面、16表示三维内转进气道完全流向抽吸通道、17表示三维内转进气道隔离段、18表示三维内转进气道隔离段出口、19表示高超声速来流、20表示附面层低速低能气流、21表示高速高能气流。
完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案包括完全流向抽吸通道16与三维内转进气道，其中完全流向抽吸通道大小根据三维内转进气道肩部不同位置锥切面的附面层位移厚度决定，抽吸压力小于腔体内压力；三维内转进气道由三维内转进气道压缩面13、三维内转进气道唇口5、三维内转进气道肩部型线9、三维内转进气道隔离段17组成。且三维内转进气道能够实现内部乘波。三维内转进气道压缩型面13于三维内转进气道肩部型线9处转平进入三维内转进气道隔离段17，三维内转进气道唇口5位置由设计条件下三维内转进气道入射激波反射点位置确定。
本发明实施例的具体步骤包括：
(1)、根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场。轴对称内收缩基本流场为360°回转体，回转中心为轴对称内收缩基本流场回转中心线7。轴对称内收缩基本流场包括轴对称内收缩基本流场内乘波式进气道部分；运用特征线法求解轴对称内收缩基本流场，得到轴对称内收缩基本流场内乘波式进气道部分入射激波6、轴对称内收缩基本流场反射激波4。
(2)、运用流线追踪方法生成三维内转进气道压缩型面。设计三维内转进气道出口截面为圆形，在步骤(1)所述基本流场中进行流线追踪。其中，提取流线和反射激波的交点2与流线和入射激波的交点8之间的流线，作为三维内转进气道的压缩型线，将截断后的流线布置于轴对称内收缩基本流场轴向切面内得到内乘波式高超声速进气道进口型线10、进气道肩部型线9和进气道压缩型面13。
(3)、根据位移厚度公式计算三维内转进气道肩部不同位置锥切面位移厚度。以步骤(2)得到的进气道压缩型面13与步骤(3)计算得到的位移厚度为基础，设计完全流向抽吸口16。其中，进气道肩部不同位置锥切面位移厚度不同，呈中间高，向两边逐渐减小的分布状态。用二次曲线拟合不同锥切面内位移厚度，与三维内转进气道肩部型线9构成新月形完全流向抽吸通道。抽吸通道出口工作压力小于腔内压力。
(4)以步骤(3)中得到的完全流向抽吸口构造新的进气道出口形状,并等直向后拉伸得到三维内转进气道隔离段。获得能够完全沿流向排除附面层低速低能气流20，同时不影响高速高能气流21在进气道内的流动特征的三维内转进气道。
完全流向抽吸的三维内转进气道设计方案在保持三维内转进气道优点的同时，实现了完全沿流向排出附面层低速低能气流，从而提高进气道低马赫数自起动性能。

Claims (3)

1.一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场；
(2)运用流线追踪方法生成三维内转进气道压缩型面；
(3)根据位移厚度公式计算三维内转进气道肩部不同位置锥切面位移厚度；以步骤(2)得到的进气道压缩型面与步骤(3)计算得到的位移厚度为基础，设计完全流向抽吸口；在位移厚度公式中，ρ表示边界层内的当地流体密度；u表示边界层内的当地速度；ρe表示边界层外边界处的当地流体密度；ue表示边界层外边界处的当地流速；y表示垂直于流向方向的距离，壁面处y＝0；h为边界层厚度；
(4)以步骤(3)中得到的完全流向抽吸口构造新的进气道出口形状,并等直向后拉伸得到三维内转进气道隔离段；获得能够完全沿流向排除附面层低速低能气流，同时不影响高速高能气流在进气道内的流动特征的三维内转进气道。
2.如权利要求1所述一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法，其特征在于在步骤(1)中，所述根据设计要求采用特征线法求解轴对称基本流场的具体方法为：轴对称内收缩基本流场为360°回转体，回转中心为轴对称内收缩基本流场回转中心线；轴对称内收缩基本流场包括轴对称内收缩基本流场内乘波式进气道部分；运用特征线法求解轴对称内收缩基本流场，得到轴对称内收缩基本流场内乘波式进气道部分入射激波、轴对称内收缩基本流场反射激波。
3.如权利要求1所述一种完全流向抽吸的三维内转进气道设计方法，其特征在于在步骤(2)中，所述运用流线追踪方法生成三维内转进气道压缩型面的具体方法为：设计三维内转进气道出口截面为圆形，在步骤(1)所述基本流场中进行流线追踪，其中，提取流线和反射激波的交点与流线和入射激波的交点之间的流线，作为三维内转进气道的压缩型线，将截断后的流线布置于轴对称内收缩基本流场轴向切面内得到内乘波式高超声速进气道进口型线、进气道肩部型线和进气道压缩型面。
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