CN109472076B - 一种涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法 - Google Patents

一种涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法，解决了现有进气道设计方法无法应用于TBCC进气道模态转换过程的不足，本发明按照从上游到下游的顺序逐个优化每个运动部件的最终转角，以实现抑制激波振荡及提高总压恢复的目的。运动部件转角的优化过程基于非定常数值模拟开展，使其按照某一恰当的角频率匀速转动，在所记录的出口总压恢复曲线上选取满足要求的点，其对应角度即为该运动部件的最佳转角。本发明方法不仅可以消除进气道内激波振荡引起的出口处性能参数出现的振荡，同时提高了进气道出口处的总压恢复系数，使得TBCC进气道在模态转换过程中的性能达到最优。

Description

一种涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的 优化设计方法
技术领域
本发明属于飞行器设计领域，具体涉及一种可用于涡轮基组合发动机(TBCC)进气道模态转换过程中运动部件转角的逐级优化设计方案。
背景技术
涡轮基组合发动机(Turbine Based Combined Cycle，TBCC)是一种将涡轮发动机与冲压发动机两种子发动机整合使用的推进系统，适用于具有宽飞行马赫数的高速飞行器。对于以TBCC为动力装置的飞行器，当从低马赫数加速到某设计马赫数时，推进系统将由涡轮模态转换为冲压模态并继续加速，反之同理。在模态转换过程中，需要调整进气道内运动部件进而改变进气道内流动以配合相应子发动机的开启/关闭，并保证其始终获得高质量的来流，因此需要使用TBCC变几何进气道(以下简称为TBCC进气道)。典型TBCC进气道结构如图1所示，进气道的前部为运动部件(可调板、分流板)，而后面流道分为两路，上方流道通向涡轮发动机，下方流道通向冲压发动机。当飞行马赫数较低时，进气道为涡轮模态(蓝色实线位置，AB1C1D-EF1)，随着飞行马赫数的增加，进气道直接或逐步转换到冲压模态(红色虚线位置，AB2C2D-EF2)。为了避免在模态转换时发动机出现推力不足或非定常振荡，实现平稳可控的模态转换，TBCC进气道应为发动机提供稳定的、高质量的气流。这对TBCC进气道在模态转换过程中的性能提出了很高的要求，其非定常模态转换过程的设计至关重要。
目前，传统进气道设计方法可用于分别设计TBCC进气道处于涡轮模态和冲压模态时的几何结构，但在模态转换过程的设计方面仍为空白。另一方面，传统进气道设计方法假设流场定常，而TBCC进气道模态转换是严格的非定常过程。可见传统的进气道设计方法不适用于TBCC进气道模态转换过程的设计。这一不足如果不能被克服将令TBCC进气道及TBCC推进系统难以应用于实际的高速飞行器上。因此，找到一种适用于TBCC进气道模态转换过程的设计方法，提高模态转换中TBCC进气道的性能，将对未来宽马赫数高速飞行器的发展有重要意义。
发明内容
本发明针对TBCC进气道模态转换过程中运动部件的转角提出了一种优化设计方法，不仅可以消除进气道内激波振荡引起的出口处性能参数出现的振荡，同时提高了进气道出口处的总压恢复系数，使得TBCC进气道在模态转换过程中的性能达到最优。
本发明涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法，具体设计步骤如下：
步骤1：根据TBCC进气道的模态转换马赫数等工作条件，围绕进气道的边界及内部的运动部件生成相应的计算网格。
步骤2：在步骤1生成的计算网格中固定TBCC进气道内运动部件边界，使用非定常的数值方法求解TBCC进气道在固定边界下的非定常流场，并对非定常流场信号进行频率分析，选取远小于流场最低频的角频率作为运动部件调整的角频率。
步骤3：根据气流的流动方向，按照从上游到下游的顺序，依次调整TBCC进气道内的可调板的转角，直至激波振荡振荡消除，此时固定可调板的位置。
步骤4：以涡轮流道出口和冲压流道出口处按流量加权的总压恢复为指标，调整分流板转角直到加权总压恢复最高，此时固定分流板的位置。
本发明的优点在于：
(1)本发明涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法，与传统设计方法中针对部分转角状态进行性能计算并取较优结果不同，本发明可以在近似连续的优化空间中找到运动部件的最优转角，进而准确找到最优转角并得到最优值。
(2)本发明涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法，基于非定常数值模拟进行运动部件的转角的优化设计，能够捕捉不同转角下流场的非定常特性，直观地反映优化结果是否满足设计要求。
(3)本发明涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法，可配合运动重叠网格、动网格等多种现有的运动边界处理方法开展，便于相关工作人员进行设计工作。
附图说明
图1为典型TBCC进气道结构示意图；
图2为TBCC进气道模模态转换过程中出口总压恢复变化曲线；
图3a为TBCC进气道模态转换过程中0.2s时激波位置示意图；
图3b为TBCC进气道模态转换过程中0.25s时激波位置示意图；
图3c为TBCC进气道模态转换过程中0.3s时激波位置示意图；
图3d为TBCC进气道模态转换过程中0.35s时激波位置示意图；
图4a为模态转换过程涡轮出口总压恢复信号频率分析；
图4b为模态转换过程冲压出口总压恢复信号频率分析；
图4c为模态转换过程下壁面G点压力信号频率分析；
图4d为模态转换过程下壁面H点压力信号频率分析；
图5为可调板转角优化过程中总压恢复变化曲线；
图6为可调板转角优化前马赫数云图；
图7为可调板转角优化后马赫数云图；
图8为分流版转角优化过程中总压恢复变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
在对TBCC进气道模态转换过程进行设计前，冲压模态和涡轮模态的工作状态和几何参数已经设计完毕，故在两模态下运动部件的位置也已经确定。在此基础上，通常模态转换设计的思路是令所有运动部件同时从涡轮模态对应位置匀速转动至冲压模态对应位置，然而这种简单的模态转换过程可能由于不恰当的运动部件转角严重影响进气道性能。如图2所示，为某一给定转角条件下TBCC进气道模态转换过程中出口处的典型总压恢复变化曲线，可以看到曲线存在强烈的振荡，且模态转换后期冲压流道出口总压恢复曲线有下降的趋势，这将造成发动机喘振和推力下降，因此需要通过进一步设计运动部件转角加以消除。事实上，由于TBCC进气道模态转换发生在模态转换马赫数下，该马赫数显著高于低速巡航马赫数且未达到高速巡航马赫数，此时进气道工作在非设计状态，容易诱发如图3所示的进气道内的激波振荡，进而导致总压恢复出现强烈振荡。通过图2可以看到，随着模态转换的进行振荡逐渐减弱直至消失，说明在某一转角下进气道几何结构与模态转换马赫数下的来流相匹配，激波振荡得到消除。如果可以通过设计找到一组运动部件最佳转角，使得进气道内激波稳定且出口处总压恢复尽可能高，就能够实现模态转换过程的优化。
由此本发明涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法的具体设计步骤如下：
步骤1：根据TBCC进气道的模态转换马赫数等工作条件，围绕进气道的边界及内部的运动部件生成相应的计算网格。为了处理运动边界，可以使用重叠网格，也可以使用动网格等其他方法；本发明中优选重叠网格方法。
步骤2：在步骤1生成的计算网格中固定TBCC进气道内运动部件边界，使用非定常的数值方法求解TBCC进气道在固定边界下的非定常流场。为保证运动部件转动的时间尺度大于流场的非定常时间尺度，对该非定常流场信号进行频率分析，方式为：沿TBCC进气道壁面选取若干点，监测这些点在模态转换过程中的压力变化以及进气道两出口处的总压恢复等参数变化，对以上变化信号进行傅里叶变换，获得流场非定常振荡的频率，并选取远小于流场最低频率作为运动部件调整的角频率，以保证能够捕捉非定常的流动特性。
步骤3：根据气流的流动方向，按照从上游到下游的顺序，依次调整TBCC进气道内的可调板的转角，最终确定各个可调板转角位置。具体方式为：使可调板按照步骤2中选取的角频率均速转动，过程中激波振荡振幅减小，出口总压升高。记录住可调板转动过程中出口总压回复和马赫数的变化曲线；在该曲线上选取激波振荡消除且总压恢复最高时所对应的点，该点对应角度即为可调板的最优位置，此时TBCC进气道性能最优。
步骤4：以涡轮流道出口和冲压流道出口处按流量加权的总压恢复(下称为加权总压恢复)为指标，使分流板按照步骤2中选取的角频率匀速转动，记录涡轮流道出口和冲压流道出口处的总压恢复和气流流量，并计算加权总压恢复，得到分流板转动过程中的加权总压恢复变化曲线，曲线上的最高点对应的分流板转角即为模态转换中分流板应到达的最终位置。
所述加权总压恢复定义为两流道出口总压恢复的流量加权平均，如下式所示：
Figure BDA0001848566260000041
其中，pt为当地的气流总压，ρ为密度，
Figure BDA0001848566260000042
为流道出口截面处的气流速度，
Figure BDA0001848566260000043
为流道出口界面法向量，A为出口截面积。
最终通过本发明方法对涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角进行优化设计，实现抑制进气道内激波振荡，并提高了进气道出口的总压恢复。
实施例：由于TBCC进气道没有通用的标准外形，故本例选用向先宏等在文献《一种基于三元内转折进气道的内并联TBCC模态转换设计技术》中提出的TBCC进气道外形进行实例设计。计算条件取为来流马赫数为2.0，来流静压为7565Pa，来流静温为217K，迎角为0°，涡轮背压和冲压背压分别为30000Pa和150000Pa。如果按照传统模态转换策略，直接将各活动部件由涡轮模态转至冲压模态，TBCC进气道模态转换过程中，出口参数强烈振荡的结果如图2所示，并且模态转换后期冲压流道出口总压恢复曲线有下降的趋势，这将造成发动机喘振和推力下降。
使用本发明提出的优化方法具体实施过程如下：图4首先给出了对非定常流场信号进行频率分析的结果，可见流场中最低频率为6Hz，故在调整运动部件时选取的角频率远小于该频率。图5为几何调整阶段涡轮出口的总压恢复变化曲线。可以看到经过几何调整后进气道内的激波振荡得到了消除，且出口总压恢复提高了4.24％，相关优化效果在表1中给出。
表1可调板转角优化前后涡轮出口总压恢复
Figure BDA0001848566260000051
图6与图7为几何调整前后TBCC进气道内的流场结构对比，图7为优化设计后的结果，此时尾激波稳定在喉部下游，进气道处于理想的工作状态。流道切换步骤的设计过程如图8所示，图中的黑色虚线为加权总压恢复。经过这一步的设计，在加权总压恢复的意义下进气道性能提高了5.92％。以上数据表明本发明提出的TBCC进气道模态转换过程运动部件转角的逐级优化设计方案是和合理可行的。

Claims (1)

1.一种涡轮基组合发动机进气道模态转换过程运动部件转角的优化设计方法，其特征在于：具体设计步骤如下：
步骤1：根据TBCC进气道的模态转换马赫数，围绕进气道的边界及内部的运动部件生成相应的计算网格；计算网格采用重叠网格或动网格；
步骤2：在步骤1生成的计算网格中固定TBCC进气道内运动部件边界，使用非定常的数值方法求解TBCC进气道在固定边界下的非定常流场，并对非定常流场信号进行频率分析，方式为：沿TBCC进气道壁面选取若干点，监测这些点在模态转换过程中的压力变化以及进气道两出口处的总压恢复变化，对以上变化信号进行傅里叶变换，获得流场非定常振荡的频率，选取小于流场最低频的角频率作为运动部件调整的角频率；
步骤3：根据气流的流动方向，按照从上游到下游的顺序，依次调整TBCC进气道内的可调板的转角，直至激波振荡消除，此时固定可调板的位置；
步骤4：以涡轮流道出口和冲压流道出口处按流量加权的总压恢复为指标，调整分流板转角直到加权总压恢复最高，此时固定分流板的位置；加权总压恢复如下式：
Figure FDA0003801953760000011
其中，pt为当地的气流总压，ρ为密度，
Figure FDA0003801953760000012
为流道出口截面处的气流速度，
Figure FDA0003801953760000013
为流道出口界面法向量，A为出口截面积。
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