CN110925091B - 用于高超内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法 - Google Patents
用于高超内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于高超内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法，是一种基于空间三维曲面激波的内转式进气道非轴对称广义内锥基准流场设计方法，该方法采用发展的密切轴对称理论，通过对一类特殊轴对称流场的空间叠加组合，可以得到任意非轴对称内锥压缩面形状的基准流场，其三维曲面入射和反射激波形状均可控，各横截面内激波形状与内锥进口形状保持相似，各密切面内入射激波形状相同并准确交于唇口实现乘波，反射激波形状相同并准确交于肩点实现消波。该新型三维广义内锥流场能够拓宽内转式进气道基准流场选取范围，方便内转式进气道与前体机身的一体化融合设计。
Description
技术领域
本发明属于航空航天飞行器高超进排气系统技术领域，具体涉及一种内转式进气道非轴对称广义内锥基准流场设计方法。
背景技术
高超声速进气道是超燃冲压发动机的重要组成部件，主要对来流起到减速增压作用。其中，内转式进气道采用使气流向中心偏转的压缩形式，相比于传统的二元进气道和轴对称进气道，具有流量捕获能力强、压缩效率高等优势，近年来相关研究与应用越来越广泛。
高超声速进气道一般通过流线追踪技术在预先设计好的内锥形基准流场中提取流管得到，无粘情况下的进气道性能完全取决于所用基准流场中该流管内部区域性能，因此基准流场是此类进气道设计过程的关键。大量相关研究集中于内锥形基准流场设计：德国学者Busemann提出的Busemann基准流场及后续各类截短Busemann流场；加拿大学者
提出的ICFA流场；Mattews提出的等压力/等楔角基准流场；Barkmeyer提出的逆置等熵喷管基准流场；国内张堃元教授提出的壁面压力/马赫数分布可控基准流场；卫锋提出的可实现隔离段消波的双激波基准流场；乔文友提出的出口截面参数可控基准流场等。
上述基准流场各具特色，但全部采用的是轴对称圆形内锥，具有显著的二维特性，本质上只是对其单一内锥母线样条的优化设计，虽然设计方便却具有一定的局限性。更具一般性的是三维空间中非轴对称广义内锥基准流场，后者同样由内锥压缩面、中心体、入射激波和反射激波等要素构成，但上述各组成部分均为空间三维曲面，因此能够极大拓展内转式进气道的基准流场选取范围，方便复杂构型内转式进气道与前体机身的一体化设计。然而，由于三维流场设计较为繁杂，目前相关研究很少。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于高超内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种非轴对称广义内锥基准流场设计方法，所述方法包括两部分内容：第一，发展的适用于多道激波的密切轴对称理论，其特征在于：该三维空间流场具有一道入射激波及其反射激波，在每个密切平面上，两道激波曲线形状及各自波后压力分布均相同，使得密切轴对称技术能够同时应用于入射和反射激波；第二，发展的特殊二维轴对称内锥基准流场设计方法，其特征在于：应用特征线理论使得该流场中入射/反射激波形状和反射激波波后压力分布可控。通过应用发展的密切轴对称理论，将一系列特殊设计的二维轴对称内锥流场进行组合叠加，即可得到所需的非轴对称广义内锥基准流场。
所述方法主要设计步骤如下：
(1)给定广义内锥的进口形状，得到该曲线各处局部曲率半径、曲率中心及相应的密切平面组。
(2)构造一系列入射/反射激波形状及反射激波波后压力分布相同的轴对称二维流场，分别位于各密切平面之内。由于各密切面所对应的进口曲率半径和曲率中心位置不同，这些轴对称二维流场的进口半径和中心体半径也应当随之变化，但进口到中心体的径向距离始终不变。
(3)同时对前后两道激波应用密切轴对称技术，将各密切面上的二维轴对称流动按对应关系叠加组成空间三维流场。
有益效果：本发明提供的非轴对称广义内锥基准流场设计方法，能够为高超声速内转式进气道提供任意非轴对称的内锥基准流场，其中的入射和反射激波均为空间三维曲面且可以实现提前给定。相比于此前传统的轴对称内锥流场，大大增强了基准流场的一般性，拓宽了内转式进气道基准流场的选取范围，方便进气道与前体机身的一体化设计。
附图说明
图1为非轴对称广义内锥基准流场构型示意图。
图2为二维轴对称内锥基准流场。
图3为非轴对称广义内锥基准流场的进口曲线密切示意图。
图4为应用本发明设计得到的椭圆形进口内锥流场结构。
其中：1为非轴对称广义基准流场的三维内锥压缩面，2为中心体，3为入射激波面，4为反射激波面，5为密切平面上二维轴对称内锥基准流场的入射激波，6为第一段内锥压缩型线，7为右行特征线，8为反射激波，9为第二段内锥压缩型线，10为第一段中心体型线，11为左行特征线，12为第二段中心体型线，13为二维轴对称基准流场出口，14为二维轴对称基准流场对称轴，15为进口曲线上的局部曲率半径，16为局部曲率中心。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明公开了一种用于高超声速内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法，如图1所示，非轴对称广义内锥基准流场的内锥压缩面1、中心体2、入射激波3、反射激波4均为空间一般三维曲面，这使其显著区别于常规的轴对称内锥流场。
如图2及图3所示，该方法具体包括以下步骤：
(1)根据来流条件、入射激波5形状反设计第一段内锥压缩面6和A区流场；
(2)根据右行特征线7和预估的反射激波8形状和波前特定参数分布反设计第二段内锥压缩面9和B区流场；
(3)根据斜激波关系式求出反射激波波后流动参数；
(4)根据反射激波波后参数与目标分布规律的差异，重新预估步骤(2)中的反射激波波前特定参数分布，然后循环进行步骤(2)、(3)，直到反射激波波后所需参数分布与给定的分布规律相同为止；
(5)根据反射激波波后参数反设计第一段中心体壁面10和C区流场；
(6)采用光滑过渡曲线作为第二段中心体壁面12，得到D区流场，至此，特殊设计的二维轴对称内锥流场已经完全求出；
(7)对给定的进口曲线进行密切，得到该曲线各处局部曲率半径13、曲率中心14及相应的密切平面组；
(8)根据步骤(7)中几何参数，重复进行步骤(1)～(6)，循环求解入射/反射激波形状和反射激波波后压力分布相同的一系列二维轴对称内锥流场，分别位于各个密切平面内；
(9)根据密切空间几何关系，将各密切面内的二维流场按对应关系叠加组成三维非轴对称广义内锥流场。
上述步骤(1)～(6)求解二维轴对称内锥流场过程中，采用有旋特征线理论进行计算，其中包括正、逆特征线法的内点单元过程、壁面点单元过程、激波点单元过程等。
实施例
下面结合一个实施例对本发明作进一步说明。
该实例中，选取基准流场进口形状为椭圆，其长短轴比a/b＝1.3。具体的设计参数如下：来流马赫数Ma∞＝6；密切面上的入射激波曲线函数表达式为五次函数y＝A0+A1x+A2x2+A3x3+A4x4+A5x5，反射激波曲线函数表达式为三次函数y＝B0+B1x+B2x2+B3x3，式中A，B为系数；中心体前缘曲率半径与进口曲率半径之比rc/ri范围在0.15至0.61之间，分别在进口曲率半径最小和最大处取到。
第一步，对该椭圆形进口进行密切，得到该进口曲线各处局部曲率半径、曲率中心及相应的密切平面组。
第二步，确定入射和反射激波曲线形状，即给定拟合表达式中的方程系数A、B。
第三步，构造一系列入射/反射激波形状和反射激波波后压力分布均相同的轴对称二维流场，分别位于各个密切平面之内。
第四步，将各密切面上的二维流场叠加组成空间三维椭圆形进口内锥基准流场。
应用本发明提出的设计方法设计的非轴对称广义内锥基准流场收缩比CR＝8.03，内收缩比CRi＝2.45，数值仿真得到的流量系数
出口压比πex＝23.1，总压恢复系数σex＝0.893。三维空间流场如图4所示，各密切面上的入射激波与反射激波形状均可控，三维流场实现了整体上的来流乘波和出流消波。该实施例结果表明，相比于传统轴对称基准流场，本发明所述新型非轴对称基准流场不仅保留了压缩效率高、流量捕获能力强等特点，而且空间几何形状更加多样，有利于复杂构型的内转式进气道设计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种用于高超内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法，其特征在于具体包括以下步骤：
（1）给定广义内锥的进口形状，得到所述进口形状的曲线各处局部曲率半径、曲率中心及相应的密切平面组；
（2）构造一系列入射/反射激波形状及反射激波波后压力分布相同的轴对称二维流场，分别位于各密切平面之内，具体方法为：
（2-1）根据来流条件、入射激波形状反设计第一段内锥压缩面和对应的A区流场；
（2-2）根据右行特征线和预估的反射激波形状和波前特定参数分布反设计第二段内锥压缩面和对应的B区流场；
（2-3）根据斜激波关系式求出反射激波波后参数；
（2-4）根据反射激波波后参数与目标分布规律的差异，重新预估步骤（2-2）中的反射激波波前特定参数分布，然后循环进行步骤（2-2）、（2-3），直到反射激波波后所需参数分布与给定的分布规律相同为止；
（2-5）根据反射激波波后参数反设计第一段中心体壁面和对应的C区流场；
（2-6）采用光滑过渡曲线作为第二段中心体壁面，得到对应的D区流场，至此，特殊设计的二维轴对称内锥流场已经完全求出；
（3）同时对前后两道激波应用密切轴对称技术，将各密切面上的二维轴对称流动按对应关系叠加组成空间三维流场。
2.根据权利要求1所述的用于高超内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法，其特征在于：该基准流场中各个密切平面上的入射和反射激波形状均相同，且与预设形状相同。
3.根据权利要求1所述的用于高超内转式进气道的非轴对称广义内锥基准流场设计方法，其特征在于：该基准流场中的三维曲面入射和反射激波分别交于中心体前缘和出口，实现来流乘波和出流消波。
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