CN211975175U - 一种带环向自适应引流管的三维内转进气道 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带环向自适应引流管的三维内转进气道，包括三维内转进气道等熵压缩型面、三维内转进气道反射激波后隔离段以及环向自适应引流装置，三维内转进气道等熵压缩型面与三维内转进气道反射激波后隔离段连接，连接处设置环向自适应引流装置。本实用新型在保持三维内转进气道优点的同时，采用环向自适应引流管将高压气流引入低速低能的附面层气流中，增加附面层内的气流总能量，从而抑制进气道内的附面层分离，达到拓宽三维内转进气道工作马赫数的作用。

Description

一种带环向自适应引流管的三维内转进气道

技术领域

本实用新型涉及三维内转进气道附面层控制技术领域，具体涉及一种带环向自适应引流管的三维内转进气道及设计方法。

背景技术

高超声速飞行器的研究是各航空强国竞相争夺的航空航天技术战略制高点。各个世界强国均在加紧推进高超声速飞行的研制计划。对于高超声速飞行器，其推进系统的关键技术为超燃冲压发动机技术，超燃冲压发动机区别于传统的涡轮喷气式发动机在于压气部件的不同。传统的涡喷发动机需要借助压气机叶片对来流进行减速增压从而满足燃烧室对来流的状态要求，而超燃冲压发动机则是依靠超声速情况下进气道部件内的激波系对超声速/高超声速来流进行压缩，使其减速增压，从而满足超燃冲压发动机燃烧室的燃烧需求，因此，高超声速进气道的设计也是超燃冲压发动机技术的重中之重。

经过长期的研究，国内外学者提出了一系列高超声速进气道的设计方法，其中较为代表性的构型包括二元进气道、轴对称进气道和侧压进气道。在这些构型之外，国内外学者还对一种具有较高的流量捕获系数与优良的气动性能的三维内收缩的进气道进行了深入的研究，该进气道被称为三维内转进气道。美国约翰霍普金斯大学Billig等提出的流线追踪Busemann进气道[1],美国Astrox公司的Ajay等提出的Funnel进气道[2],美国航天宇航研究中心的Smart等提出的将矩形进口转为椭圆形出口[3]的三维内转进气道等。在国内，尤延铖等提出了一种被称为内乘波式的三维内转进气道设计方法。虽然此类进气道在气动性能方面具有一定的优势，但高的流量捕获能力同时会增加低马赫数起动的负担，对高超声速飞行器的工作速域产生极大的影响。因此，研究如何拓宽三维内转进气道的工作范围，降低三维内转进气道的起动马赫数，对此类进气道的发展具有极其重要的意义。

为拓宽三维内转进气道的工作范围，降低其起动马赫数，目前国内外学者采用的包括变几何法与定几何条件的流动控制这两类。变几何法是根据来流马赫数对进气道压缩型面进行调整，以此调整进气道内收缩比。此方法在结构简单的二元进气道领域应用较广，但由于三维内转进气道型面过于复杂，此方法并不能有效的提高进气道的起动能力。

定几何条件下的流动控制，比较常见的是附面层抽吸泄流。以期在低马赫数工况下能够排除进气道内的低速低能流，从而实现进气道在低马赫数下的正常。然而，抽吸泄流存在一些问题：一方面，排除的边界层气流需要通过泄流通道将边界层气流排除，因此泄流管道需要穿过机身内部从而实现进气道壁面与飞行器外部流场相连接，这必然将对机身内部布局产生不利影响；另一方面，由于泄流的存在，将会降低流入进气道下游燃烧室内的气流流量，对燃烧效率产生影响，进一步对影响整个推进系统的推力。由此可见，在不减少流量的情况下提供有效的附面层控制技术对提高超燃冲压发动机的推力，并拓宽超燃冲压发动机的工作范围具有重要意义。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种带环向自适应引流管的三维内转进气道及设计方法，在保持三维内转进气道优点的同时，采用环向自适应引流管将高压气流引入低速低能的附面层气流中，增加附面层内的气流总能量，从而抑制进气道内的附面层分离，达到拓宽三维内转进气道工作马赫数的作用。

本实用新型的通过如下技术方案实现。

一种带环向自适应引流管的三维内转进气道，包括三维内转进气道等熵压缩型面、三维内转进气道反射激波后隔离段以及环向自适应引流装置，三维内转进气道等熵压缩型面与三维内转进气道反射激波后隔离段连接，连接处设置环向自适应引流装置；三维内转进气道等熵压缩型面具有腰形三维内转进气道进口型线与三维内转进气道肩部型线；三维内转进气道反射激波后隔离段为等直径圆管具有圆形的三维内转进气道出口型线；环向自适应引流装置为环形布局，包括中空的环向自适应引流管、圆柱形高压区气流入流管、圆柱形低压区气流出口管、圆形高压区气流入流口以及圆形低压区气流出流口，高压区气流入流管的两端分别连接环向自适应引流管和高压区气流入流口，低压区气流出口管的两端分别连接环向自适应引流管和低压区气流出流口，高压区气流入流口位于三维内转进气道肩部型线下游的三维内转进气道反射激波后隔离段内，低压区气流出流口位于三维内转进气道肩部型线上游的三维内转进气道等熵压缩型面内，所述高压区气流入流口通过高压区气流入流管、环向自适应引流管和低压区气流出口管与低压区气流出流口连通。当高超声速来流进入三维内转进气道等熵压缩型面区域后，将在壁面产生附面层，根据三维内转进气道内高低压区域的分布规律可通过环向自适应引流装置将气流由高压区引导至低压区从而减弱附面层对三维内转进气道性能的影响。

优选的，高压区气流入流管与水平方向夹角小于45°，采用顺流向的布置形式有利于高压气流的流入。

优选的，低压区气流出口管与水平方向夹角大于135°，采用逆流向的布置形式能够抑制三维内转进气道等熵压缩型面内的气流流入，并提高气流的流出效率。

一种带环向自适应引流管的三维内转进气道的设计方法，包括以下步骤：

(1)生成三维内转进气道；

(2)选取相对高压区域作为气流入口位置；

(3)选取相对低压区域作为气流出口位置；

(4)根据步骤(2)、(3)中得到的入流与出流位置，设计环向自适应引流管联通入流口与出流口，完成带环向自适应引流管的三维内转进气道设计。

优选的，所述步骤(1)中三维内转进气道于三维轴对称内收缩基本流场中采用流线追踪法，根据三维内转进气道进口型线离散点所生成的流线在周向内排布获得。其中三维轴对称内收缩进气道包括入射激波波前均匀区，反射激波波前等熵增压区与反射激波波后高压区组成。在后续的环向引流管的设计中，将依靠反射激波波后的高压区域将高压气流引入等熵压缩区。

优选的，所述步骤(2)中气流入口位置布置于三维内转进气道高压区即反射激波之后，该位置位于三维内转进气道肩部型线下游；选定气流入口位置后，采用顺流向方式布置气流入流管，入流管与水平方向夹角小于45°，采用顺流向的布置形式有利于高压气流的流入。

优选的，所述步骤(3)中气流出流口布置于三维内转进气道低压区即入射激波之后反射激波之前，该位置位于三维内转进气道肩部型线上游；选定气流出口位置后，采用逆流向方式布置气流出流管，出流管与水平方向夹角大于135°，采用逆流向的布置形式能够抑制三维内转进气道等熵压缩段的气流流入，并提高气流的流出效率。

优选的，所述步骤(4)中的环向自适应引流管采用圆环型圆管结构，环绕布置于三维内转进气道外侧，并联通气流入流管与气流出口管，从而达到引流的目的。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：本实用新型利用本设计方法生成的带环向自适应引流管的三维内转进气道可以显著拓宽三维内转进气道工作范围；利用通过三维内转进气道内部压力差计算设计得到的环向自适应引流装置可以将进气道内的气流由高压区域引流至低压区域从而对等熵压缩区内的附面层进行控制，并抑制进气道肩部位置的流动分离；此外，该采用引流管的形式不会额外产生流量损失，在降低进气道起动马赫数的同时，从而保证了整个推进系统的高推力需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是三维轴对称内收缩基本流场；

图2是带环向自适应引流管的三维内转进气道总体结构示意图；

图3是带环向自适应引流管的三维内转进气道三维剖视图；

图4是带环向自适应引流管的三维内转进气道半剖视图；

图5是带环向自适应引流管的三维内转进气道仰视图；

图中的标记为：1表示高超声速来流、2表示三维轴对称内收缩基本流场回转母线、3表示三维轴对称基本流场回转轴线、4表示三维内收缩基本流场入射激波、5表示三维内转进气道内收缩基本流场反射激波、6表示均匀来流区、7表示等熵压缩区、8表示反射激波后高压区、9表示用于生成三维内转进气道的流线、10表示三维内转进气道进口型线、11表示三维内转进气道等熵压缩型面、12、表示三维内转进气道肩部型线、13表示三维内转进气道反射激波后隔离段、14表示三维内转进气道出口型线、15表示环向自适应引流管、16表示高压区气流入流管、17表示低压区气流出口管、18表示高压区气流入流口、19表示低压区气流出流口、20表示附面层、21表示低压区出流、22表示高压区入流、23表示三维内转进气道肩部位置。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，藉此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施，但不作为本实用新型的限定。

如图1至图5所示；

一种带环向自适应引流管的三维内转进气道，包括三维内转进气道等熵压缩型面11、三维内转进气道反射激波后隔离段13以及环向自适应引流装置，三维内转进气道等熵压缩型面11与三维内转进气道反射激波后隔离段13连接，连接处设置环向自适应引流装置；三维内转进气道等熵压缩型面11具有腰形三维内转进气道进口型线10与三维内转进气道肩部型线12；三维内转进气道反射激波后隔离段13为等直径圆管具有圆形的三维内转进气道出口型线14；环向自适应引流装置为环形布局，包括中空的环向自适应引流管15、圆柱形高压区气流入流管16、圆柱形低压区气流出口管17、圆形高压区气流入流口18以及圆形低压区气流出流口19，高压区气流入流管16的两端分别连接环向自适应引流管15和高压区气流入流口18，低压区气流出口管17的两端分别连接环向自适应引流管15和低压区气流出流口19，高压区气流入流口18位于三维内转进气道肩部型线12下游的三维内转进气道反射激波后隔离段13内，低压区气流出流口19位于三维内转进气道肩部型线12上游的三维内转进气道等熵压缩型面11内，所述高压区气流入流口18通过高压区气流入流管16、环向自适应引流管15和低压区气流出口管17与低压区气流出流口19连通。当高超声速来流进入三维内转进气道等熵压缩型面11区域后，将在壁面产生附面层，根据三维内转进气道内高低压区域的分布规律可通过环向自适应引流装置将气流由高压区引导至低压区从而减弱附面层对三维内转进气道性能的影响。

作为优选的实施方案，高压区气流入流管与水平方向夹角小于45°，采用顺流向的布置形式有利于高压气流的流入。

作为优选的实施方案，低压区气流出口管与水平方向夹角大于135°，采用逆流向的布置形式能够抑制三维内转进气道等熵压缩型面内的气流流入，并提高气流的流出效率。

本实用新型所述的带环向自适应引流管的三维内转进气道可以显著拓宽三维内转进气道工作范围。利用三维内转进气道内部压力差计算设计得到的环向自适应引流装置可以将进气道内的气流由高压区域引流至低压区域从而对等熵压缩区内的附面层进行控制，并抑制进气道肩部位置的流动分离。此外，该引流管的形式不会额外产生流量损失，在降低进气道起动马赫数的同时，保证了整个推进系统的高推力需求。

一种带环向自适应引流管的三维内转进气道的设计方法，包括以下步骤：

(1)生成三维内转进气道，所述三维内转进气道由三维内转进气道等熵压缩型面11与三维内转进气道反射激波后隔离段13组成，其中三维内转进气道等熵压缩型面11采用流线追踪法在图1所示的三维轴对称内收缩基本流场中生成；生成方式为将三维内转进气道进口型线12离散，根据离散点在基本流场中以三维内收缩基本流场入射激波4为起点向下游进行流线追踪并于三维内转进气道内收缩基本流场反射激波5处截止，将所得一系列用于生成三维内转进气道的流线9在周向内进行排布最终获得三维内转进气道等熵压缩型面11；三维内转进气道反射激波后隔离段13根据三维内转进气道肩部型线12等直向后拉伸获得；所述的三维轴对称内收缩基本流场包括均匀来流区6，等熵压缩区7和反射激波后高压区8组成，相应的由该基本流场生成的三维内转进气道也具有相同的区域分布；在后续的环向引流管的设计中，将依靠反射激波后高压区8将高压气流引入等熵压缩区7，从而达到抑制附面层分离的效果；

(2)选取相对高压区域作为气流入口位置，图1所示的三维轴对称内收缩基本流场包括均匀来流区6，等熵压缩区7和反射激波后高压区8组成，相应的由该基本流场生成的三维内转进气道也具有相同的区域分布；因此在环向引流管入流口与出流口的设计中，将依靠反射激波后高压区8将高压气流引入等熵压缩区7，从而达到抑制附面层分离的效果；根据进气道内部流场压力分布规律，高压区气流入流口18布置于三维内转进气道高压区即三维内转进气道反射激波后隔离段13内，该位置位于三维内转进气道肩部型线12下游；选定高压区气流入流口18后，采用顺流向方式设计高压区气流入流管16，高压区气流入流管16与水平方向夹角小于45°，采用顺流向的布置形式有利于高压气流的流入；

(3)选取相对低压区域作为气流出口位置，根据进气道内部流场压力分布规律，低压区出流口19布置于三维内转进气道等熵压缩型面11内，该位置位于三维内转进气道肩部型线12上游；选定低压区出流口19位置后，采用逆流向方式布置低压区气流出口管17，低压区气流出口管17与水平方向夹角大于135°，采用逆流向的布置形式能够抑制三维内转进气道等熵压缩型面11内的气流流入，并提高气流的流出效率；

(4)根据步骤(2)、(3)中得到的高压区气流入流口18与低压区出流口19的位置，设计环向自适应引流管15联通高压区气流入流口18与低压区出流口19，完成带环向自适应引流管的三维内转进气道设计；所述环向自适应引流管15采用圆环型圆管结构，环绕布置于三维内转进气道外侧，并联通高压区气流入流口18与低压区出流口19，从而将三维内转进气道反射激波后隔离段13的高压气流引入三维内转进气道等熵压缩型面11的低能附面层20内，达到抑制附面层20在三维内转进气道肩部位置23分离的效果。

本带环向自适应引流管的三维内转进气道设计方法在保持三维内转进气道优点的同时，采用环向自适应引流的方式抑制附面层分离的产生，有助于拓宽三维内转进气道的工作马赫数范围。

本实用新型的有益效果是：本实用新型利用本设计方法生成的带环向自适应引流管的三维内转进气道可以显著拓宽三维内转进气道工作范围。利用通过三维内转进气道内部高低压区域之间流体的自适应调整可以有效抑制进气道压缩型面三维周向附面层的分离作用，此外，该方法不会导致额外的流量损失，因此，能够在降低进气道起动马赫数的同时，保证了三维内转进气道的气动性能。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种带环向自适应引流管的三维内转进气道，其特征在于，包括三维内转进气道等熵压缩型面、三维内转进气道反射激波后隔离段以及环向自适应引流装置，三维内转进气道等熵压缩型面与三维内转进气道反射激波后隔离段连接，连接处设置环向自适应引流装置；三维内转进气道等熵压缩型面具有腰形三维内转进气道进口型线与三维内转进气道肩部型线；三维内转进气道反射激波后隔离段为等直径圆管具有圆形的三维内转进气道出口型线；环向自适应引流装置为环形布局，包括中空的环向自适应引流管、圆柱形高压区气流入流管、圆柱形低压区气流出口管、圆形高压区气流入流口以及圆形低压区气流出流口，高压区气流入流管的两端分别连接环向自适应引流管和高压区气流入流口，低压区气流出口管的两端分别连接环向自适应引流管和低压区气流出流口，高压区气流入流口位于三维内转进气道肩部型线下游的三维内转进气道反射激波后隔离段内，低压区气流出流口位于三维内转进气道肩部型线上游的三维内转进气道等熵压缩型面内，所述高压区气流入流口通过高压区气流入流管、环向自适应引流管和低压区气流出口管与低压区气流出流口连通。

2.根据权利要求1所述的带环向自适应引流管的三维内转进气道，其特征在于，高压区气流入流管与水平方向夹角小于45°，采用顺流向的布置形式有利于高压气流的流入。

3.根据权利要求1所述的带环向自适应引流管的三维内转进气道，其特征在于，低压区气流出口管与水平方向夹角大于135°，采用逆流向的布置形式能够抑制三维内转进气道等熵压缩型面内的气流流入，并提高气流的流出效率。

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