CN108198240A - 一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法，涉及超声速进气道。获得所需的复杂三维激波曲面；利用逆向特征线法求得所需的三维鼓包压缩型面；形成鼓包的下表面。通过给定不同横向截面内的激波形状来进行构造，将三维鼓包的前缘曲线离散化，从每个前缘离散点出发，利用特征线法逆向求解对应的鼓包压缩型线，将所有的压缩型线进行组合，以此实现基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计。一方面具备传统Bump进气道的优点，取消附面层隔道、泄放系统和旁路系统，使得飞行器的结构更轻，阻力更小，可靠性更高；另一方面，真正实现激波曲面的三维重构，能对每一个横向截面内的激波形状进行控制，使得三维鼓包设计具有更大的自由度和更强的灵活性。

Description

一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法

技术领域

本发明涉及超声速进气道，尤其是涉及一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法。

背景技术

超声速进气道作为高速吸气式飞行器推进系统的关键部件之一，其设计形式和工作特性直接决定着飞机的整体性能，因此受到了各航空强国的广泛关注([1]SVENSSON M.ACFD Investigation of a Generic Bump and Its Application to a DiverterlessSupersonic In-let[J].Department of Management&Engineering,2008)。传统超声速飞机在设计进气道时，考虑到附面层的影响，通常会设有附面层隔道与吸除/抽吸装置([2]杨应凯.进气道的设计与减重研究[C]//中国航空学会飞机总体专业分会重量工程专业委员会第十一次学术交流会.2006)。该机构将大大增加进气道重量([3]李博,梁德旺.无隔道超声速进气道/前机身一体化计算与试验[J].航空学报,2009,30(09):1597-1604)，不利于飞行器的总体性能。为解决这些问题，洛克希德.马丁公司开始探索一种可以替代传统进气道设计的新方法，提出了Bump进气道(又称无隔道超声速进气道，Diverterless SupersonicInlet，DSI)的概念([4]杨应凯,李玉璞.JSF X-35的一绝──无附面层隔道超音速进气道[J].国际航空,2001(8):13-15)。

现阶段设计Bump进气道外压缩鼓包的方法主要有两种：一种是根据锥形流理论，给定一个圆锥流场，利用锥导乘波理论进行鼓包设计；另一种则是将锥导乘波拓展至密切乘波理论，进行鼓包设计。利用锥导理论设计的锥导鼓包，由于锥形流动的基本特点，在圆锥形激波的波后会存在较大的纵向与横向压力梯度，能将大部分的附面层吹出进气道。锥导Bump进气道与传统的超音速进气道相比，取消了附面层隔道，泄放系统，旁路系统，使得飞行器在性能、机动、隐身、结构和质量等方面具有独特的优势。因此相比于传统的进气道，锥导Bump进气道使得飞机的阻力更小，重量更轻，可靠性更高。

锥导Bump进气道虽具有很大的优势，但由于锥导乘波理论固有的局限性即激波形状确定为圆锥激波，导致Bump进气道的外压缩鼓包设计趋于单一性，难以同复杂多变的进气道唇口形状相匹配。基于密切原理的三维鼓包设计方法，通过引入设计截面内曲率中心分布这一变量,可以控制横截面激波形状并调节外压缩鼓包的三维外型，进而设计出能够满足不同飞行状态的Bump进气道，增强了部分的设计自由度。可以看到，密切设计方法将设计激波由单个圆锥激波拓展为多个圆锥激波的耦合。但本质上，密切乘波方法只是通过改变设计截面内横向激波形状来调节三维激波曲面与三维鼓包外型，其局部流场仍为圆锥流场，可控性不大。

发明内容

本发明旨在提供为超声速Bump进气道设计提供新思路，使得三维鼓包设计具有更大的自由度和更强灵活性的一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)获得复杂三维激波曲面；

在步骤1)中，所述获得复杂三维激波曲面的具体方法可为：将三维鼓包形成的三维复杂激波曲面按照流向离散成一系列横向截面，在每个横向截面中给出激波曲线，改变各个横向截面中激波曲线的形状便可控制复杂的三维激波曲面，在控制激波曲线形状时，指定各横向截面内的激波曲线均为抛物线。

2)利用逆向特征线法求得三维鼓包压缩型面；

在步骤2)中，所述利用逆向特征线法求得三维鼓包压缩型面的具体方法可为：将鼓包的前缘捕获型线离散成一系列点，每个点单独进行逆向设计，离散点数目越多，计算精度越高，以前缘型线离散点的法向量与自由来流方向可以确定密切面，取密切面的流向长度为ΔX，ΔX值越小，特征线法逆向求解的精度越高，密切面与复杂的三维激波曲面相交即可获得为与该密切面内的激波形状；在密切面中，给定激波形状和来流参数的情况下，利用特征线法可逆向求解得该密切面内的鼓包压缩型线和特征线，特征线点处的法向量便可确定密切面，密切面的长度与密切相同，均为ΔX；密切面与三维激波曲面相交，可获得密切面内的激波形状；利用特征线法可获得密切面内的鼓包压缩型线和特征线，如此循环，直至设计截面，便可获得过前缘离散点的一条鼓包压缩型线，将鼓包的前缘压缩型线中过各离散点的型线组合，即可得到鼓包压缩型面；

3)形成鼓包下表面。

在步骤3)中，所述形成鼓包下表面的具体方法可为：将鼓包的前缘压缩型线沿着流向追踪至设计截面即可获得鼓包的下表面。

本发明通过给定不同横向截面内的激波形状来进行构造，将三维鼓包的前缘曲线离散化，从每个前缘离散点出发，利用特征线法逆向求解对应的鼓包压缩型线，将所有的压缩型线进行组合，以此实现基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计。

本发明具有以下突出优点：

基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法，一方面具备了传统Bump进气道的优点，取消了附面层隔道、泄放系统和旁路系统，使得飞行器的结构更轻，阻力更小，可靠性更高；另一方面，此方法真正实现了激波曲面的三维重构，能对每一个横向截面内的激波形状进行控制，使得三维鼓包设计具有更大的自由度和更强的灵活性。

附图说明

图1是三维复杂激波曲面示意图；

图2是三维鼓包逆向求解示意图；

图3是三维鼓包示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例包括以下步骤：

1)获得所需的复杂三维激波曲面：将三维鼓包形成的三维复杂激波曲面按照流向离散成一系列横向截面，在每个横向截面中给出激波曲线形状如图1所示。本发明中仅仅以3个不同横向截面(距离该鼓包最前端1/3处的横向截面2、位于该鼓包中端处的横向截面3、与Bump进气道唇口相接触的横向截面即设计截面4)为例，截面内的激波曲线分别为位于横向截面2中的激波曲线形状5、位于横向截面3中的激波曲线形状6、位于横向截面4中的激波曲线形状7。改变各个横向截面中激波曲线的形状便可控制复杂的三维激波曲面8。在控制激波曲线形状时，本发明指定各横向截面内的激波曲线均为抛物线。

2)利用逆向特征线法求得所需的三维鼓包压缩型面：将鼓包的三维鼓包的前缘捕获型线FCT(Flow Capture Tube)1离散成一系列点，每个点单独进行逆向设计，离散点数目越多，计算精度越高。本发明仅以其中一个前缘型线离散点a为例，如图2所示。由a点处的法向量与自由来流方向可以确定由a点的法向量及来流方向组成的密切面10，由a点的法向量及来流方向组成的密切面10的流向长度为ΔX，ΔX值越小，特征线法逆向求解的精度越高。由a点的法向量及来流方向组成的密切面10与鼓包产生的复杂三维激波曲面8相交即可获得为与该密切面内的激波形状ab。在由a点的法向量及来流方向组成的密切面10中，给定激波形状和来流参数的情况下，利用特征线法可逆向求解得该密切面内的鼓包压缩型线ad和特征线bd。特征线bd和b点处的法向量便可确定由特征线bd及b点的法向量组成的密切面11，由特征线bd及b点的法向量组成的密切面11的长度与密切10相同，均为ΔX。同样的，由特征线bd及b点的法向量组成的密切面11与鼓包产生的复杂三维激波曲面8相交，可获得该密切面内的激波形状bc。利用特征线法可获得b点的法向量组成的密切面11内的鼓包压缩型线de和特征线ce。如此循环下去，直至设计与Bump进气道唇口相接触的横向截面即设计截面4，便可获得过前缘离散点a的一条鼓包压缩型线。将三维鼓包的前缘捕获型线FCT 1中过各离散点的型线组合，即可得到三维鼓包压缩型面9(如图3所示)。

3)形成鼓包的下表面：将三维鼓包的前缘捕获型线FCT1沿着流向追踪至设计截面即可获得鼓包的下表面。

Claims (4)

1.一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)获得复杂三维激波曲面；

2)利用逆向特征线法求得三维鼓包压缩型面；

3)形成鼓包的下表面。

2.如权利要求1所述一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法，其特征在于在步骤1)中，所述获得所需的复杂三维激波曲面的具体方法为：将三维鼓包形成的三维复杂激波曲面按照流向离散成一系列横向截面，在每个横向截面中给出激波曲线，改变各个横向截面中激波曲线的形状控制复杂的三维激波曲面，在控制激波曲线形状时，指定各横向截面内的激波曲线均为抛物线。

3.如权利要求1所述一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法，其特征在于在步骤2)中，所述利用逆向特征线法求得所需的三维鼓包压缩型面的具体方法为：将鼓包的前缘捕获型线离散成一系列点，每个点单独进行逆向设计，离散点数目越多，计算精度越高，以前缘型线离散点的法向量与自由来流方向确定密切面，取密切面的流向长度为ΔX，ΔX值越小，特征线法逆向求解的精度越高，密切面与复杂的三维激波曲面相交获得为与该密切面内的激波形状；在密切面中，给定激波形状和来流参数的情况下，利用特征线法可逆向求解得该密切面内的鼓包压缩型线和特征线，特征线点处的法向量确定密切面，密切面的长度与密切相同，均为ΔX；密切面与三维激波曲面相交，获得密切面内的激波形状；利用特征线法获得密切面内的鼓包压缩型线和特征线，如此循环，直至设计截面，获得过前缘离散点的一条鼓包压缩型线，将鼓包的前缘压缩型线中过各离散点的型线组合，即得到鼓包压缩型面。

4.如权利要求1所述一种基于复杂激波曲面的三维鼓包逆向设计方法，其特征在于在步骤3)中，所述形成鼓包的下表面的具体方法为：将鼓包的前缘压缩型线沿着流向追踪至设计截面获得鼓包的下表面。